אורגניזמים חיים זקוקים לקלט מתמשך של אנרגיה כדי לשמור על תפקודים תאיים ואורגניזמים כגון צמיחה, תיקון, תנועה, הגנה ורבייה. תאים…
כל מה שחי זקוק למקור אנרגיה כדי לתדלק את פעילותו. בסופו של דבר, מקור האנרגיה הזה הוא השמש. כיצד, אם כן, רתמו האורגניזמים על כדור הארץ את האנרגיה הזו? הכל מתחיל בפוטוסינתיסייזרים. אורגניזמים אלה מסוגלים לקחת פחמן דו-חמצני ומים ולאחר מכן להשתמש באנרגיה שנלכדה מהשמש כפוטונים כדי לאלץ את המולקולות האלה יחד, לייצר גלוקוז וחמצן. הגלוקוז הוא המפתח לשלב הקריטי הבא, כזה שכמעט כל האורגניזמים משתמשים בו בצורה זו או אחרת - נשימה תאית. נשימה תאית מתבצעת על ידי אנזימים, או בקרום התא בפרוקריוטים או במיטוכונדריה באיקריוטים.
התגובה הכימית מתחילה בפירוק הגלוקוז באמצעות חמצן כדי ליצור שוב פחמן דו-חמצני ומים, אך בתהליך, האנרגיה שהושקעה במקור בייצור מולקולת הגלוקוז מגיעה לשני מקומות חדשים. אחת מהן היא סינתזה של מולקולות ATP, או אדנוזין טריפוספט, מקור אנרגיה שתאים יכולים להשתמש בו בקלות. השאר הולך לאיבוד כחום. עד כה, דיברנו על סוג של נשימה תאית המשתמשת בחמצן, וזה נקרא נשימה אירובית, אבל כמה אורגניזמים ותאים מסוגלים לעשות נשימה בהיעדר חמצן. זה נקרא נשימה אנאירובית. ובמקום לייצר CO2 ומים, תהליך זה מייצר אתנול כתוצר לוואי. תסיסה היא דוגמה לסוג זה של נשימה. כך שמרים מסוגלים לייצר אלכוהול במיכלים אטומים. אנו יכולים להשתמש בכלי שנקרא רספירומטר כדי למדוד נשימה אירובית. בפשטות, מכשיר זה מודד את כמות החמצן המשמשת אורגניזם, נובט זרעי צמחים במקרה זה. זרעים נובטים נושמים, מה שאומר שאנו יכולים לצפות שהם ישתמשו בחמצן וישחררו פחמן דו חמצני. עדיין אין להם את החלקים הירוקים שלהם, אז הם לא עושים פוטוסינתזה.
מדידת נשימה ברספירומטר משתמשת בשיטה חכמה המבוססת על חוק הגז האידיאלי, P פעמים V שווה n פעמים R פעמים T. P הוא הלחץ של המערכת. V הוא נפח הגז. n הוא מספר השומות של הגז הקיימות. R הוא קבוע הגז האידיאלי... ו-T היא הטמפרטורה המוחלטת. לסיכום פשוט, זה אומר שאתה יכול להבין כמה מולקולות של גז נמצאות בדגימה על ידי מדידת הנפח שלה, בהנחה שאתה יודע את הלחץ והטמפרטורה, כי R הוא קבוע.
רספירומטרים מכילים אשלגן הידרוקסיד, אשר לוכד פחמן דו חמצני בצורה מוצקה כמו אשלגן פחמתי. לכן, בשל הנשימה התאית, החמצן בצינור האטום מנוצל על ידי הזרעים, והם משחררים פחמן דו חמצני, שבתורו נלכד כאשלגן פחמתי. לכן, ככל שהנשימה התאית מתקדמת, נפח הגז הכולל בתוך המערכת פוחת. אנו יכולים לכמת זאת על ידי הצמדת הרספירומטר למכשיר שנקרא מנומטר. כאן, כאשר מולקולות החמצן נצרכות, הלחץ יורד בתוך תא הרספירומטר, ונוזל צבעוני בתוך צינור נימי זעיר נמשך לכיוון הלחץ המופחת. לאחר מכן אנו יכולים להעריך את כמות הגז שנותרה בצינור הרספירומטר על ידי קריאת הערך ברמת המנומטר. מערכת רב-תכליתית זו יכולה להיות מוגדרת עם משתנים רבים ושונים, כמו טמפרטורות שונות למשל, וניתן להשתמש בה כדי לבחון את קצב הנשימה בסוגים רבים ושונים של אורגניזמים חיים.
במעבדה זו תשתמשו ברספירומטר ובמנומטר כדי למדוד את קצב הנשימה של זרעים נובטים.
כל מה שחי זקוק למקור אנרגיה כדי לתדלק את פעילותו. בסופו של דבר, מקור האנרגיה הזה הוא השמש. כיצד, אם כן, רתמו האורגניזמים על כדור הארץ את האנרגיה הזו? הכל מתחיל בפוטוסינתיסייזרים. אורגניזמים אלה מסוגלים לקחת פחמן דו-חמצני ומים ולאחר מכן להשתמש באנרגיה שנלכדה מהשמש כפוטונים כדי לאלץ את המולקולות האלה יחד, לייצר גלוקוז וחמצן. הגלוקוז הוא המפתח לשלב הקריטי הבא, כזה שכמעט כל האורגניזמים משתמשים בו בצורה זו או אחרת - נשימה תאית. נשימה תאית מתבצעת על ידי אנזימים, או בקרום התא בפרוקריוטים או במיטוכונדריה באיקריוטים.
התגובה הכימית מתחילה בפירוק הגלוקוז באמצעות חמצן כדי ליצור שוב פחמן דו-חמצני ומים, אך בתהליך, האנרגיה שהושקעה במקור בייצור מולקולת הגלוקוז מגיעה לשני מקומות חדשים. אחת מהן היא סינתזה של מולקולות ATP, או אדנוזין טריפוספט, מקור אנרגיה שתאים יכולים להשתמש בו בקלות. השאר הולך לאיבוד כחום. עד כה, דיברנו על סוג של נשימה תאית המשתמשת בחמצן, וזה נקרא נשימה אירובית, אבל כמה אורגניזמים ותאים מסוגלים לעשות נשימה בהיעדר חמצן. זה נקרא נשימה אנאירובית. ובמקום לייצר CO2 ומים, תהליך זה מייצר אתנול כתוצר לוואי. תסיסה היא דוגמה לסוג זה של נשימה. כך שמרים מסוגלים לייצר אלכוהול במיכלים אטומים. אנו יכולים להשתמש בכלי שנקרא רספירומטר כדי למדוד נשימה אירובית. בפשטות, מכשיר זה מודד את כמות החמצן המשמשת אורגניזם, נובט זרעי צמחים במקרה זה. זרעים נובטים נושמים, מה שאומר שאנו יכולים לצפות שהם ישתמשו בחמצן וישחררו פחמן דו חמצני. עדיין אין להם את החלקים הירוקים שלהם, אז הם לא עושים פוטוסינתזה.
מדידת נשימה ברספירומטר משתמשת בשיטה חכמה המבוססת על חוק הגז האידיאלי, P פעמים V שווה n פעמים R פעמים T. P הוא הלחץ של המערכת. V הוא נפח הגז. n הוא מספר השומות של הגז הקיימות. R הוא קבוע הגז האידיאלי... ו-T היא הטמפרטורה המוחלטת. לסיכום פשוט, זה אומר שאתה יכול להבין כמה מולקולות של גז נמצאות בדגימה על ידי מדידת הנפח שלה, בהנחה שאתה יודע את הלחץ והטמפרטורה, כי R הוא קבוע.
רספירומטרים מכילים אשלגן הידרוקסיד, אשר לוכד פחמן דו חמצני בצורה מוצקה כמו אשלגן פחמתי. לכן, בשל הנשימה התאית, החמצן בצינור האטום מנוצל על ידי הזרעים, והם משחררים פחמן דו חמצני, שבתורו נלכד כאשלגן פחמתי. לכן, ככל שהנשימה התאית מתקדמת, נפח הגז הכולל בתוך המערכת פוחת. אנו יכולים לכמת זאת על ידי הצמדת הרספירומטר למכשיר שנקרא מנומטר. כאן, כאשר מולקולות החמצן נצרכות, הלחץ יורד בתוך תא הרספירומטר, ונוזל צבעוני בתוך צינור נימי זעיר נמשך לכיוון הלחץ המופחת. לאחר מכן אנו יכולים להעריך את כמות הגז שנותרה בצינור הרספירומטר על ידי קריאת הערך ברמת המנומטר. מערכת רב-תכליתית זו יכולה להיות מוגדרת עם משתנים רבים ושונים, כמו טמפרטורות שונות למשל, וניתן להשתמש בה כדי לבחון את קצב הנשימה בסוגים רבים ושונים של אורגניזמים חיים.
במעבדה זו תשתמשו ברספירומטר ובמנומטר כדי למדוד את קצב הנשימה של זרעים נובטים.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: Why do organisms need cellular respiration?
Organisms need cellular respiration to harvest energy from glucose and other biomolecules for cellular functions like growth, repair, and movement. Cellular respiration breaks down glucose using oxygen to produce ATP, the energy currency cells can readily use. The process also releases heat as a byproduct, making energy available throughout the organism.
Q2: What is the difference between aerobic and anaerobic respiration?
Aerobic respiration requires oxygen and completely breaks down glucose into carbon dioxide and water, producing significant ATP. Anaerobic respiration occurs without oxygen and produces fewer ATP molecules. Fermentation, a type of anaerobic respiration, generates ethanol or lactic acid as byproducts instead of carbon dioxide and water.
Q3: How does a respirometer measure cellular respiration?
A respirometer measures oxygen consumption by organisms using the ideal gas law principle. Potassium hydroxide inside the respirometer traps carbon dioxide as potassium carbonate. As cells consume oxygen and release carbon dioxide, the total gas volume decreases, causing pressure to drop. A manometer attached to the respirometer detects this pressure change, allowing scientists to quantify oxygen used.
Q4: What role does the mitochondria play in cellular respiration?
In eukaryotes, the mitochondria is the primary site where cellular respiration occurs. Enzymes in the mitochondria carry out the breakdown of glucose through the Krebs cycle and oxidative phosphorylation, generating most of the ATP used by cells. Mitochondrial health directly affects an organism's energy production and overall cellular function.
Q5: How are photosynthesis and cellular respiration related?
Photosynthesis and cellular respiration are opposite processes. Photosynthesis produces glucose and oxygen from carbon dioxide and water using sunlight energy. Cellular respiration uses that glucose and oxygen to produce carbon dioxide, water, and ATP. The products of one process serve as reactants for the other, creating a continuous cycle of energy and matter in ecosystems.
Q6: Why do germinating seeds consume oxygen in a respirometer?
Germinating seeds are actively respiring because they lack green parts and cannot photosynthesize, so they depend entirely on stored energy. They break down glucose through cellular respiration to produce ATP for growth and development. This active respiration consumes oxygen and releases carbon dioxide, which is why oxygen levels decrease measurably in a sealed respirometer.
Q7: What does the ideal gas law tell us about gas molecules in a respirometer?
The ideal gas law states that the number of gas molecules in a container can be determined from pressure, volume, and temperature. In a respirometer, as organisms consume oxygen through respiration, the total number of gas molecules decreases, lowering pressure inside the sealed chamber. By measuring pressure changes, scientists can calculate exactly how much oxygen was consumed using this mathematical relationship.