Respirometer im virtuellen Labor: Atmung keimender Erbsen

Dieses Respirometer im virtuellen Labor folgt der Untersuchung zur Zellatmung in AP Biology. Drei Röhrchen stehen in einem Wasserbad: keimende Erbsen, trockene Erbsen mit Glasperlen und nur Glasperlen. Die Lernenden lesen alle 5 Minuten den farbigen Tropfen in jeder Kapillare ab und korrigieren die Werte mit dem Röhrchen mit Glasperlen. Sie tragen die O₂-Aufnahme gegen die Zeit auf und bestimmen die Rate aus der Steigung. Dann wiederholen sie den Lauf bei anderen Temperaturen und berechnen Q₁₀. Läufe, die im Labor eine ganze Unterrichtsstunde dauern, brauchen hier Sekunden, und niemand muss mit KOH umgehen. Jede Zahl unten wurde in der Simulation abgelesen.

Lehrplanbezug

• AP Biology: Unit 3 (Cellular Energetics), Thema 3.6 zur Zellatmung (ENE-1), und die AP-Untersuchung zur Zellatmung, die keimende und nicht keimende Erbsen bei zwei Temperaturen vergleicht.
• NGSS HS-LS1-7 (US-Standard): Zellatmung als chemischer Prozess, der die Bindungen in Nährstoffmolekülen spaltet und neue Verbindungen bildet, wobei Energie frei wird.
• Simulic ist weder mit dem College Board noch mit AQA verbunden und wird von ihnen nicht unterstützt.

In Deutschland passt der Versuch zur Zellatmung und zum Stoffwechsel im Biologieunterricht der Oberstufe.

Vor dem Experiment (5 min)

Fragen Sie: „Das Wasserbad wird von 15 °C auf 25 °C erwärmt. Wie ändert sich die Rate der O₂-Aufnahme keimender Erbsen?“ Die Lernenden wählen: etwa doppelt so schnell, etwa gleich, etwa halb so schnell oder etwa zehnmal so schnell. Sie schreiben einen Grund auf. Auf einem Klassenlink ist das Frage 1; die Simulation wird freigegeben, sobald sie geantwortet haben.

Durchführung in der Simulation

Die Simulation misst die Rate in mL O₂ pro Minute und in µL pro Gramm und Minute. Nutzen Sie die Rate pro Gramm, um Läufe mit unterschiedlicher Samenzahl zu vergleichen.

1. Behalten Sie die Startwerte bei: Erbsen, 25 Samen pro Röhrchen, 25 °C, 30 min, KOH, 10 min ausgleichen, Klemme offen. Stellen Sie Tempo: 5 min pro Sekunde ein und klicken Sie auf Start.
2. Tippen Sie während des Laufs auf ein Röhrchen, um seine Skala zu vergrößern. Übertragen Sie alle 5 Minuten Werte, Δ und korrigierte Werte aus der Tabelle.
3. Notieren Sie am Ende die Raten von Röhrchen 1 und Röhrchen 2 aus der Tabelle Läufe.
4. Ändern Sie nur die Temperatur und klicken Sie auf Neuer Lauf, bei 20, 15 und 10 °C. Stellen Sie für 30 °C und 35 °C Samen pro Röhrchen auf 10. Mit 25 Samen wird der Tropfen vor Ablauf von 30 Minuten ins Röhrchen gesaugt.
5. Lesen Sie die Q₁₀-Zeile unter der Tabelle Läufe ab. Sie vergleicht den letzten Lauf mit einem früheren, der mindestens 5 °C entfernt liegt.
6. Führen Sie bei 25 °C einen Lauf mit Ohne KOH (Wasser) und einen mit Klemme zu, sofort messen durch.

Temperatur (°C)	Samen	Rate Röhrchen 1 (mL/min)	Rate Röhrchen 1 (µL/g/min)	Rate Röhrchen 2 (mL/min)
10	25
15	25
20	25
25	25
30	10
35	10

Erwartete Ergebnisse

Die Rate schwankt zwischen den Läufen um einige Prozent, daher sind die Werte unten Bereiche. Die Bereiche stammen aus 20.000 Läufen des Modells der Simulation und wurden im Browser überprüft.

• 25 °C, 25 Erbsen: Röhrchen 1 nimmt 0,019–0,021 mL/min auf, also 1,49–1,70 µL/g/min. Die korrigierte Aufnahme nach 30 Minuten beträgt etwa 0,56–0,64 mL. Ein Lauf im Browser ergab 0,0204 mL/min (1,63 µL/g/min).
• Raten bei anderen Temperaturen: etwa 0,59 µL/g/min bei 10 °C, 0,81 bei 15 °C, 1,14 bei 20 °C, 2,2 bei 30 °C und 3,1 bei 35 °C (30 und 35 °C mit 10 Samen).
• Q₁₀: aus Läufen bei 15 und 25 °C zwischen 1,73 und 2,21. Der Lauf im Browser bei 15 °C ergab 0,83 µL/g/min, also Q₁₀ = 1,63 ÷ 0,83 = 1,97.
• Trockene Erbsen (Röhrchen 2): zwischen −0,0003 und 0,0005 mL/min, nahe null.
• Ohne KOH: Röhrchen 1 fällt auf −0,0004 bis 0,0003 mL/min. Die Samen atmen weiter, geben aber genauso viel CO₂ ab, wie sie O₂ aufnehmen.
• Ohne Ausgleich bei 25 °C: Das Gas erwärmt sich und dehnt sich aus. In den meisten Läufen werden die Tropfen in Röhrchen 2 und 3 in den ersten 5 Minuten aus der Kapillare gedrückt. Bei 15 °C kühlt das Gas dagegen ab, und die Tropfen werden in die Röhrchen gesaugt.

Fragen für die Lernenden

1. Vorhersage: Wie ändert sich die Rate der O₂-Aufnahme keimender Erbsen von 15 °C auf 25 °C?
2. Röhrchen 3 enthält nur Glasperlen. Wozu dient es?
3. Lassen Sie 25 Erbsen bei 25 °C 30 min mit KOH laufen. Wie groß ist die Rate von Röhrchen 1 in µL/g/min?
4. Starten Sie einen neuen Lauf bei 15 °C. Berechnen Sie Q₁₀ aus den beiden Raten.
5. Entfernen Sie das KOH und messen Sie bei 25 °C. Erklären Sie, warum sich der Tropfen kaum bewegt, obwohl die Samen atmen.

Antworten für Lehrkräfte:

1. Sie verdoppelt sich ungefähr.
2. Es erfasst Änderungen des Gasvolumens, die nur durch Temperatur und Luftdruck entstehen. Diese werden von Röhrchen 1 und 2 abgezogen.
3. Akzeptiert 1,45–1,75 µL/g/min.
4. Akzeptiert 1,65–2,30; die meisten Läufe ergeben etwa 1,9–2,0.
5. KOH absorbiert CO₂. Ohne KOH ersetzt das abgegebene CO₂ das aufgenommene O₂: Der RQ beträgt bei Stärke etwa 1. Das Gasvolumen bleibt gleich.

Häufige Fehlvorstellungen

• „Trockene Samen sind tot.“ Sie leben, ruhen aber. Ihre Rate beträgt etwa 1,5 % der Rate keimender Samen, was die Simulation als fast null zeigt.
• „Der Tropfen bewegt sich, weil die Samen Gas abgeben.“ Mit KOH bewegt sich der Tropfen zum Röhrchen hin, weil O₂ verbraucht und CO₂ absorbiert wird.
• „Im Wasserbad braucht man das Röhrchen mit Glasperlen nicht.“ Kleine Schwankungen von Temperatur und Druck bewegen trotzdem jeden Tropfen. Röhrchen 3 misst sie.
• „Q₁₀ von 2 bedeutet, dass sich die Rate mit jedem Grad verdoppelt.“ Sie verdoppelt sich mit jeder Erhöhung um 10 °C.

Erweiterung

• RQ. Messen Sie bei 25 °C mit KOH und dann ohne KOH. Die Simulation berechnet aus den beiden Läufen den respiratorischen Quotienten.
• Erbsen oder Mais. Vergleichen Sie µL/g/min für Erbsen und Mais bei 25 °C. Fragen Sie, warum man Raten pro Gramm braucht, wenn die Samen unterschiedlich groß sind.

Häufige Fragen

Warum µL/g/min und nicht mL/min?

mL/min hängt davon ab, wie viele Samen im Röhrchen liegen. Teilt man durch die Samenmasse, ergibt sich für 10 oder 25 Samen dieselbe Rate, sodass sich Läufe mit unterschiedlicher Samenzahl vergleichen lassen.

Warum weicht meine Rate von der meines Nachbarn ab?

Die Simulation fügt einige Prozent natürliche Schwankung zwischen Samenchargen hinzu, dazu kleine Schwankungen von Temperatur und Druck. Deshalb akzeptieren die Fragen einen Bereich.

Kann ich die Startwerte für meine Klasse festlegen?

Ja. Erstellen Sie auf der Seite Teilen einen Link und legen Sie in den Startwerten Samen, Anzahl, Temperatur, Messdauer, KOH und Ausgleich fest.

Verwandte Simulationen und Leitfäden

Gärung – Milchsäuregärung und alkoholische Gärung Fotosyntheserate – Licht, CO₂, Temperatur und Kompensationspunkt

Für die andere Seite des Kohlenstoffkreislaufs siehe das virtuelle Labor zur Photosynthese. Die Temperatur wirkt über Enzyme auf die Atmung: siehe das virtuelle Labor zur Enzymaktivität.