Клеточное дыхание

Все живое нуждается в источнике энергии для своей деятельности. В конечном счете, этим источником энергии является солнце. Как же организмы на Земле использовали эту энергию? Все начинается с фотосинтезаторов. Эти организмы способны поглощать углекислый газ и воду, а затем использовать энергию, полученную от солнца в виде фотонов, чтобы заставить эти молекулы объединиться, производя глюкозу и кислород. Глюкоза является ключом к следующему важному шагу, который почти все организмы используют в той или иной форме – клеточному дыханию. Клеточное дыхание осуществляется ферментами либо в клеточной мембране у прокариот, либо в митохондриях у эукариот.

Химическая реакция начинается с расщепления глюкозы с помощью кислорода для создания углекислого газа и воды, но в процессе энергия, которая первоначально была потрачена на создание молекулы глюкозы, уходит в два новых места. Один из них заключается в синтезе молекул АТФ, или аденозинтрифосфата, источника энергии, который клетки могут легко использовать. Остальное теряется в виде тепла. До сих пор мы говорили о разновидности клеточного дыхания, в котором используется кислород, и это называется аэробным дыханием, но некоторые организмы и клетки способны осуществлять дыхание в отсутствие кислорода. Это называется анаэробным дыханием. И вместо того, чтобы производить CO2 и воду, этот процесс делает этанол побочным продуктом. Примером этого вида дыхания является брожение. Именно так дрожжи способны вырабатывать спирт в герметичных емкостях. Мы можем использовать инструмент, называемый респирометром, для измерения аэробного дыхания. Очень просто, этот прибор измеряет количество кислорода, используемого организмом, проращивая в данном случае семена растений. Прорастающие семена дышат, а это значит, что мы можем ожидать, что они будут расходовать кислород и выделять углекислый газ. У них еще нет зеленых частей, поэтому они не фотосинтезируют.

При измерении дыхания в респирометре используется хитрый метод, основанный на законе идеального газа: P умножить на V равно n умножить на R умножить на T. P — давление в системе. V — объем газа. n — количество молей присутствующего газа. R — это идеальная газовая постоянная, а T — абсолютная температура. Если вкратце, то это означает, что вы можете выяснить, сколько молекул газа присутствует в образце, измерив его объем, предполагая, что вы знаете давление и температуру, потому что R является константой.

Респирометры содержат гидроксид калия, который улавливает углекислый газ в твердой форме в виде карбоната калия. Таким образом, из-за клеточного дыхания кислород в герметичной трубке расходуется семенами, и они выделяют углекислый газ, который, в свою очередь, попадает в ловушку в виде карбоната калия. Таким образом, по мере прогрессирования клеточного дыхания общий объем газа внутри системы уменьшается. Мы можем количественно оценить это, прикрепив респирометр к устройству, называемому манометром. Здесь, по мере того, как молекулы кислорода расходуются, давление внутри камеры респирометра падает, и цветная жидкость внутри крошечной капиллярной трубки втягивается в направлении пониженного давления. Затем мы можем оценить количество газа, оставшегося в трубке респирометра, сняв значение на уровне манометра. Эта универсальная система может быть настроена с множеством различных переменных, таких как различные температуры, например, и может использоваться для проверки скорости дыхания у многих различных типов живых организмов.

В этой лаборатории вы будете использовать респирометр и манометр для измерения скорости дыхания прорастающих семян.