2013年1月5日

呼吸作用的測量

課本上有個測綠豆呼吸作用的實驗,錐形瓶裡放了發芽綠豆,上頭塞個漏斗把水灌下去,然後就可以藉此把裡頭的氣體擠到裝有石灰水的試管裡。這個實驗是檢驗呼吸作用產生氣體的定性實驗,但是我還想再找些定量的實驗來作作,後來我用respirometer這個關鍵字找到了一些裝置設計,最近的課程就是讓學生用這個來測綠豆的呼吸作用,測量耗氧量、產二氧化碳量、呼吸商等。



參考資料

實驗裝置可以參考
http://www.elbiology.com/labtools/Microrespirometers.html
http://www.biologycorner.com/worksheets/cellular_respiration_AP_Lab5.html

測量呼吸商可以參考
http://openinfo.npust.edu.tw/agriculture/npus12/ll/agr12exp17.pdf
http://physiol.umin.jp/resp/text/1-03.html






呼吸計的設置需要針筒、毛細管、熱溶膠、膠水、刻度紙。裝置就長這樣,針筒前端黏了毛細管,管子外面黏了刻度紙,針筒裡面塞了棉花和綠豆、棉花滴了一滴NaOH。





因為這個裝置是用在測量溫度對綠豆呼吸作用的影響,所以一個實驗就要有六支呼吸計,高溫組和低溫組各用三支,如果考量到實驗需要重複的情況,那就要更多支囉。


耗氧量和產二氧化碳量的計算
由於要測量耗氧量和產二氧化碳量,所以要有三支裝置,分別叫做ABC三管。A管裝了綠豆和NaOH,B管只裝綠豆,C管只裝NaOH,這個設計是參考蔡老師的文章。耗氧量=A-C;排二氧化碳量=耗氧量-B。

氣體量的計算,除了用刻度紙每刻度1mm來量化外,最好是用毛細管的內徑(直徑)去計算毛細管內減少的空氣柱的體積。


呼吸商數的計算
呼吸商數(respiratory quotient, RQ)就是植物組織或細胞進行呼吸作用時,釋放CO2 量對吸收 O2量的體積之比值。 RQ 的測定值,可以證明呼吸作用的進行,並且可以由 RQ 值來判斷呼吸作用所利用的受質種類。呼吸受質為有機酸的 RQ 值大於 1,呼吸受質為碳水化合物的 RQ 值等於 1,呼吸受質為脂肪酸的 RQ 值小於 1。

  • 呼吸受質為碳水化合物的 RQ 值等於 1
  • 呼吸受質為脂質的RQ 值等於0.71
  • 呼吸受質為蛋白質的 RQ 值等於0.85



呼吸計製作流程

  1. 以熱熔膠將毛細管與針筒相黏,再將刻度紙黏在毛細管上。
  2. 將溶有少量清潔劑的紅墨水吸入毛細管中沖洗幾次,藉由清潔劑降低表面張力的作用,使步驟5加入的紅墨水得以在管中順利移動。
  3. 將脫脂棉塞入ABC針筒內,但是僅在AC針筒中滴入一滴NaOH(或KOH),藉以吸收CO2,再加入一層棉花隔絕實驗材料,避免與NaOH直接接觸。B針筒只加入棉花,但不需加入NaOH。
  4. 將實驗材料放入針筒中並加上活塞。調製不同溫度的水,記錄水溫後,將實驗裝置的三隻針筒置於水浴中,等待五分鐘使整個裝置和水浴達到熱平衡。實驗中需隨時控制水溫。
  5. 用另外的針筒將紅墨水擠入實驗裝置的毛細管中作為標記。每隔一分鐘紀錄紅墨水的刻度變化
     




這個實驗最後要繪製出兩張圖

  • 萌芽綠豆在不同溫度下的RQ值變化
  • 萌芽綠豆在不同溫度下的耗氧量變化


延伸實驗
除了用來看對溫度對呼吸作用的影響外,後續也有些實驗可作,但是得先想出影響細胞呼吸的可能變因。例如:

環境的變因:

  • 溫度
  • 光線(與光合作用互相影響)
  • 壓力
  • 可用的氧氣量
  • 一天中的時刻

種子的變因:

  • 萌芽的階段
  • 種子的年齡
  • 種子的狀況
  • 種子的大小

物種的變因

  • 種子的種類
  • 物種的相剋作用
  • 其他組織
  • 其他生物

學生可以就這些變因去設計控制變因和操縱變因,設計出許多專題研究的題目,像是

  • 剛萌芽的種子和萌芽很久的種子,呼吸速率相同嗎?
  • 以油脂儲存的種子(花生)和儲存澱粉的種子(穀類),呼吸速率是否相同?
  • 不同季節的種子、花等組織,呼吸速率是否相同
  • 單子葉植物和雙子葉植物的種子的呼吸速率

或是也可做動物實驗,例如用25ml的針筒做蟋蟀的耗氧量測量,或用更大的容器進行老鼠的耗氧測試,進一步比較恆溫動物和變溫動物的代謝速率。

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