Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren In de mitochondriën van de cel wordt energie geproduceerd door het oxideren van organische stoffen. Bij dit proces, de celademhaling, wordt zuurstofgas verbruikt. Doel van dit practicum is na te gaan hoeveel zuurstofgas door ongewervelde dieren (meelwormen) wordt verbruikt. Ook gaan we na of de omgevingstemperatuur een invloed heeft op de celademhaling, en dus ook op de activiteit van het organisme. Materiaal Meelwormen Balans Een geïsoleerde meetkamer (zie foto en beschrijving). Stukje filtreerpapier Stukje gaas Oplossing KOH 1N Pasteurpipetje Thermometer Gassensor met bijbehorende plastic slang en stop TI83plus en CBL2 of PC en Go!-Link De geïsoleerde meetkamer Om temperatuurschommelingen te voorkomen, werken we met een eenvoudige opstelling. In een brede proefbuis wordt doorheen een geperforeerde stop proefbuis van normale grootte ingebracht. De grootste proefbuis zal als isolerende watermantel fungeren. De kleinste proefbuis is de eigenlijke meetkamer, waarin de meelwormen gebracht zullen worden. Wij werken met twee geïsoleerde meetkamers. Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -1-
Principe van het experiment Schrijf hieronder de globale ademhalingsreactie. Welk gas wordt opgenomen? Welk gas wordt geproduceerd door de organismen? Welke molaire verhouding bestaat er tussen beide gassen in de ademhalingsreactie? Het uitgeademde gas is een niet-metaaloxide en uit de chemie ken je volgend reactiepatroon. Niet-metaaloxide + hydroxide zout + water Door gebruik te maken van geconcentreerd kaliumhydroxide kunnen we het uitgeademde koolstofdioxide absorberen uit de aanwezige lucht. Schrijf hier de reactie van CO 2 met KOH. Door het verdwijnen van CO 2 uit de meetkamer zal het gasvolume verminderen. In een oudere versie van dit practicum werd deze volumeverandering rechtstreeks gemeten, door de verschuiving van een druppel kleurstof in een capillair te meten. We werken vandaag met een druksensor die via een doorboorde stop in contact staat met de lucht in de meetkamer. Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -2-
Het volume van de meetkamer blijft dus onveranderd. Wat gebeurt er met de luchtdruk, als een deel van de aanwezige lucht door absorptie gebonden wordt? We zijn op zoek naar de hoeveelheid CO 2 die geabsorbeerd wordt, want die is gelijk aan de hoeveelheid O 2 die ingeademd werd. Via welke formule uit de fysica (gaswetten) zouden we het volume aan CO 2 (en dus ook aan O 2 ) kunnen berekenen? Eenmaal we via deze formule het volume aan ingeademd zuurstofgas berekend hebben, kunnen we ook het aantal mol zuurstofgas dat door de organismen ingeademd werd berekenen. Ga je werken met TI-83plus en CBL2? Zie volgende bladzijde 4. Ga je werken met PC en Go!-Link? Zie blz. 7 Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -3-
Eerste meting bij kamertemperatuur Stap 1 Klaarmaken van de meetkamer Aan de slag met TI-83plus en CBL2 1. Breng onderaan in beide meetkamers een stukje filtreerpapier aan. Breng hierop, met behulp van een pipetje, enkele druppels KOH (1N). Opgelet! Dit is een bijtend product. Zorg er ook voor dat er geen druppel tegen de binnenkant van de meetkamer blijft hangen want dat is dodelijk voor de meelwormen. 2. Breng nu een stukje gaas aan, ongeveer een cm boven het filtreerpapier. 3. Zet één meetkamer meteen in het warmwaterbad. De andere gaan wij dadelijk gebruiken voor het experiment bij kamertemperatuur. 4. Weeg 5 meelwormen heel nauwkeurig. Noteer deze massa op het werkblad. 5. Breng de meelwormen nu in de meetkamer boven het gaas. Bevestig de doorboorde stop al op de kamer, maar draai de slang van de druksensor nog niet vast op de stop. 6. Belangrijk! Laat de opstelling met meelwormen nu gedurende minstens 10 minuten onaangeraakt. De organismen moeten zich kunnen acclimatiseren en tot rust komen. Stap 2 Voorbereiding van het rekentoestel, de CBL2 en de druksensor. Ondertussen gaan we de CBL2 en het grafisch rekentoestel klaar maken. 1. Verbind CBL2 met het TI-83-toestel met het connectiekabeltje 2. Plug de druksensor in de CH 1 poort van de CBL2 3. Zet de TI-83 aan. 4. Druk op de TI-83 plus APPS (bij de TI-83 PRGM) en kies op het volgend menu het cijfer van de toepassing DATAMATE 5. Na een opstartscherm begint de toepassing zelf te checken en zal op zijn eerste kanaal een druksensor ontdekken: op het scherm staat PRESS(KPA). Is dat niet het geval doe dan het volgende: Druk op CLEAR om het programma te initialiseren. 6. Kies in het hoofdmenu voor SETUP. 7. Lees je achter CH 1: GASSPRESSURE(KPA) ga dan verder met stap 11. 8. Druk op ENTER om CH 1 te selecteren. 9. Kies uit het SELECT SENSOR menu PRESSURE. 10. Druk op 1 voor OK. Je merkt nu dat de druk reeds gemeten wordt. 11. Kies 1 SETUP 12. Gebruik de toetsen en om MODE te selecteren en druk ENTER. 13. Kies voor TIME GRAPH uit het SELECT MODE menu. 14. Druk op ENTER 15. Kies 2. Je krijgt nu de TIMEGRAPH SETTINGS. Kies nu 2 CHANGE TIME SETTINGS 16. Antwoord op ENTER TIME BETWEEN SAMPLES IN SECONDS 15 17. Antwoord op NUMBER OF SAMPLES 80 18. Daarmee keer je weer naar het TIMEGRAPH SETTINGS scherm dat de ingevoerde gegevens bevestigt en bovendien de EXPERIMENT LENGHT berekent (1200 s) 19. Kies nu twee maal achter elkaar 1 = OK, om terug te gaan naar het beginscherm. Het toestel is nu klaar voor de meting. Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -4-
Stap 3 Uitvoering van de meting 1. Bevestig na de acclimatisatieperiode het slangetje op de uitgang van de stop met een kleine draai naar rechts. Doe dit zo rustig mogelijk, zonder de meetkamer als geheel te beroeren. 2. Kies op de TI-83 de optie 2 = STA. Er volgt een geluidssignaal en de meting start automatisch. 3. Een nieuw geluidssignaal zal het einde van de meting aangeven. Automatisch toont de TI-83 nu de druktijdsgrafiek. 4. Als alles goed gelopen is zie je nu een dalende curve, die een rechte lijn benadert. Noteer de startwaarde op je werkblad en loop met de cursortoets tot de laatste meting (80). Noteer ook deze waarde. Als de curve een onregelmatig verloop kent (een onverwachte knik) vraag dan advies aan je leraar. Je kunt dan eventueel een kleiner deel (en periode) van de meting benutten. 5. Doe de stop van de meetkamer en meet onmiddellijk de temperatuur in de meetkamer. Noteer die op je werkblad. Stap 4 Opslaan van de meting Druk ENTER om de grafiek van het scherm te verwijderen. Verlaat nu het programma datamate door optie 6 =QUIT. Druk nogmaals ENTER. Zo kom je terug naar het hoofdscherm. Druk op de TI-83 STAT gevolgd door ENTER. Dan krijg je een een overzicht van alle lijsten op het rekentoestel. L1 bevat de tijdsdata en L2 bevat de drukwaarden. Druk dan 2nd QUIT om terug te keren naar het hoofdscherm We gaan de data uit L2 nu hernoemen. De meting op kamertemperatuur noemen we PRK Doe dit als volgt: 1. Druk op de gele 2nd en daarna op 2. 2. Op het scherm verschijnt nu L2 voor de cursor. 3. Druk nu op de STO-toets. 4. Vorm met behulp van de groene ALPHA-toets de letters. 5. Op het scherm staat nu L2 ->PRK. 6. Bevestig met ENTER. 7. Start daarna DATAMATE terug op. Toets APPS (bij de TI-83 PRGM) en kies op het volgend menu het cijfer van de toepassing DATAMATE Meting in warmwaterbad Breng de meelwormen over in de meetkamer, die zich in het warmwaterbad bevindt. Sluit deze meetkamer af met de doorboorde stop. Plaats de lege meetkamer in het ijsbad. Laat de meelwormen gedurende 10 minuten acclimatiseren in hun nieuwe omgeving. Merk op dat ze beweeglijker worden. Na 10 minuten herhaal je stap 3 van de vorige meting. (Stap 2 is overbodig, gezien het aantal meetpunten en de tussentijd bewaard blijven in het geheugen van de TI-84.) Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -5-
Ook stap 4 herhaal je, maar opgelet! Bij het hernoemen gebruik je als naam PRW (i.p.v. PRK) Meting in ijsbad Breng de meelwormen nu over in de meetkamer die zich in het ijsbad bevindt. Laat ze opnieuw 10 minuten onaangeroerd. Herhaal opnieuw stap 3 en noem bij stap 4 deze meting PRF. Vergelijk de drie metingen in één grafiek 1. Druk 2nd STAT PLOT. 2. Kies 1 (Plot1) 3. Selecteer ON 4. Selecteer bij type het eerste voorgestelde type. 5. Ga naar Xlist, Toets 2nd LIST en selecteer L1. 6. Ga naar Ylist. Toets 2nd LIST en selecteer PRK (of type deze drie letters gewoon in). 7. Kies bij Mark het vierkantje 8. Ga terug naar boven en kies nu Plot2. 9. Herhaal de acties van plot1, maar kies als Ylist PRW en het plusteken bij Mark. Ga weer naar boven en kies Plot3 10. Kies nu als Ylist PRF en bij Mark het punt. 11. Druk dan 2nd QUIT. 12. Druk op de toets WINDOW. Zet Xmin op 0, Xmax op 1200 en Xscl op 15. Voor Ymin geef je de laagst gemeten en voor Ymax de hoogst gemeten luchtdrukwaarde in. (Neem eventueel enkele hondersten onder en boven deze waarden). Yscl zet je op 0,1 en Xres op 1. 13. Je krijgt nu de drie grafieken samen op het scherm door op de toets GRAPH te drukken. Door op de pijltjes-toetsen te drukken kan je elk geplot punt bereiken. Vanonder lees je dan de X-waarde (tijd in seconden) en de Y-waarde (druk in kpa) voor dat punt af. Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -6-
Aan de slag met GO!LINK en PC Eerste meting bij kamertemperatuur Stap 1 Klaarmaken van de meetkamer 1. Breng onderaan in beide meetkamers een stukje filtreerpapier aan. Breng hierop, met behulp van een pipetje, enkele druppels KOH (1N). Opgelet! Dit is een bijtend product. Zorg er ook voor dat er geen druppel tegen de binnenkant van de meetkamer blijft hangen want dat is dodelijk voor de meelwormen. 2. Breng nu een stukje gaas aan, ongeveer een cm boven het filtreerpapier. 3. Zet één meetkamer meteen in het warmwaterbad. De andere gaan wij dadelijk gebruiken voor het experiment bij kamertemperatuur. 4. Weeg 5 meelwormen heel nauwkeurig. Noteer deze massa op het werkblad. 5. Breng de meelwormen nu in de meetkamer boven het gaas. Bevestig de doorboorde stop al op de kamer, maar draai de slang van de druksensor nog niet vast op de stop. 6. Belangrijk! Laat de opstelling met meelwormen nu gedurende minstens 10 minuten onaangeraakt. De organismen moeten zich kunnen acclimatiseren en tot rust komen. Stap 2 Voorbereiding van PC, Go!Link en de druksensor. Ondertussen gaan we de Go!Link en de PC klaar maken voor de meting. 1. Plug de Go!Link in een USB-slot van de PC. 2. Plug de druksensor in de Go!Link 3. Start het programma Logger Lite door dubbel te klikken op het icoontje van het bureaublad 4. Als alle verbindingen goed zitten start het programma op en wordt de druksensor ook herkend. Je ziet links onder dat de druksensor al met meten bezig is. 5. Kies in het menu onder Experimenten de optie Datacollection. 6. Vul achter Lenght 1200 seconds in. 7. Vul in het laatste invoervakje 15 seconds/sample in; 8. Klik op Done. 9. Nu is het programma klaar voor gebruik. Stap 3 Uitvoering van de meting 1. Bevestig na de acclimatisatieperiode het slangetje op de uitgang van de stop met een kleine draai naar rechts. Doe dit zo rustig mogelijk, zonder de meetkamer als geheel te beroeren. 2. Klik nu op de groene Start -knop in de menubalk. 3. Na 20 minuten zal de meting vanzelf beëindigd worden. 4. Bewaar het meetresultaat dadelijk door op de knop Store te drukken. 5. Doe de stop van de meetkamer en meet onmiddellijk de temperatuur in de meetkamer. Noteer die op je werkblad. 6. Druk voor een mooiere curve op de knop Scale. Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -7-
7. Als alles goed gelopen is zie je nu een dalende curve, die een rechte lijn benadert. Noteer de startwaarde op je werkblad (eerste waarde in de kolom Pressure onder Run 1) Scroll naar beneden en noteer de laatste waarde in de kolom. 8. Klik rechts op de cel met Run 1. Selecteer Data Set Options en daarna Run 1. Voer achter Name de gemeten temperatuur in. Stap 4 Opslaan van het experiment Om zeker geen gegevens te verliezen klik je op het diskette-icoontje (Save) en bewaar je de meting onder een betekenisvolle naam. Meting in warmwaterbad Breng de meelwormen over in de meetkamer, die zich in het warmwaterbad bevindt. Sluit deze meetkamer af met de doorboorde stop. Plaats de lege meetkamer in het ijsbad. Laat de meelwormen gedurende 10 minuten acclimatiseren in hun nieuwe omgeving. Merk op dat ze beweeglijker worden. Na 10 minuten herhaal je stap 3 van de vorige meting. Druk nogmaals op het icoontje met de diskette. Meting in ijsbad Breng de meelwormen nu over in de meetkamer die zich in het ijsbad bevindt. Laat ze 10 minuten onaangeroerd. Herhaal opnieuw stap 3. Bewaar de resultaten door op het diskette-icoontje te klikken. Wil je thuis verder werken met de meetresultaten? Je kunt de kolommen met de meetresultaten selecteren, kopiëren en overbrengen naar een excelbestand. Dit kan je dan bewaren op diskette of verzenden naar je eigen e-mailadres. Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -8-
Verwerking van de resultaten Nu kan je met behulp van rekentoestel of PC (Excel) uitrekenen hoeveel zuurstofgas de meelwormen verbruiken. Op onze proefopstelling is de algemene gaswet van toepassing. Deze wet wordt gegeven door de volgende formule. pv = n p = druk in Pa V = volume in m3 n = mol R = 8,314 J/mol K (de ideale gasconstante) T = absolute temperatuur De afgelezen drukwaarden zijn in kpa (kilopascal). Zet de drukwaarden die je genoteerd hebt om in Pa (pascal). De temperatuur heb je genoteerd in C. Zet die om in absolute temperatuur (kelvin). Om het volume te bepalen doe je volgende omrekening. De meetkamers met het plastic verbindingsbuisje samen hebben gemiddeld een volume van 24,25 ml (filtreerpapier en gaas) er van afgetrokken. Voor de meelwormen hebben wij een gemiddelde dichtheid van 1g/ml berekend. Dus het totaal volume in ml is 24,25 ml - de massa van de meelwormen. Dit volume moet je nu wel uitdrukken in m 3. Laten we het aantal mol bij aanvang n1 noemen en de druk bij aanvang p1. Dan geldt volgende formule. pv 1 n1 = Voor de situatie naar afloop van het experiment geldt op een gelijkaardige manier. pv 2 n2 = Als we nu de vermindering van het aantal mol O 2 willen berekenen dan doen wij dat als volgt. V( p1 p2) n= n1 n2 = Dit is het aantal mol zuurstof dat in 20 minuten door de meelwormen verbruikt werd. Vermenigvuldig met drie om het verbruik op een uur tijd te kennen. Om te kunnen vergelijken brengen wij dit terug tot verbruik per uur en per gram biomassa. Dus moeten wij nog delen door de lichaamsmassa in gram. Wil je de berekening in liter/uur/biomassa? Vermenigvuldig dan met 22,4 l/mol. Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -9-
Werkblad Massa van de meelwormen m = g Dit is ook het volume van de meelwormen V O = ml Proef 1 bij kamertemperatuur: Temperatuur C T = K (0 C = 273,16 K) Druk bij aanvang meting kpa p 1 = Pa Druk na 20 min. (einde meting) kpa p 2 = Pa V = 24,25 ml - V O = ml = m 3 R = 8,314 J/mol K Reken uit: V( p p ) 1 2 n= = Vermenigvuldig nu n met 3 om het verbruikt aantal mol zuurstofgas/uur te krijgen. Deel tenslotte door m om het verbruikt aantal mol zuurstofgas/uur/gram biomassa te berekenen. Ademhalingsactiviteit bij C = mol O 2 per uur en per gram biomassa Proef 2 in warmwaterbad: Temperatuur C T = K (0 C = 273,16 K) Druk bij aanvang meting kpa p 1 = Pa Druk na 20 min. (einde meting) kpa p 2 = Pa V = 24,25 ml - V O = ml = m 3 R = 8,314 J/mol K Reken uit: V( p p ) 1 2 n= = Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -10-
Vermenigvuldig nu n met 3 om het verbruikt aantal mol zuurstofgas/uur te krijgen. Deel tenslotte door m om het verbruikt aantal mol zuurstofgas/uur/gram biomassa te berekenen. Ademhalingsactiviteit bij C = mol O 2 per uur en per gram biomassa Proef 3 in ijsbad: Temperatuur C T = K (0 C = 273,16 K) Druk bij aanvang meting kpa p 1 = Pa Druk na 20 min. (einde meting) kpa p 2 = Pa V = 24,25 ml - V O = ml = m 3 R = 8,314 J/mol K Reken uit: V( p p ) 1 2 n= = Vermenigvuldig nu n met 3 om het verbruikt aantal mol zuurstofgas/uur te krijgen. Deel tenslotte door m om het verbruikt aantal mol zuurstofgas/uur/gram biomassa te berekenen. Ademhalingsactiviteit bij C = mol O 2 per uur en per gram biomassa Eindconclusie: Welke relatie bestaat er tussen temperatuur en ademhalingsactiviteit je als je deze drie metingen met elkaar vergelijkt? Practicum : Ademhaling bij ongewervelde dieren -11-