Tim
25.08.2013
Versuchsprotokoll
Biologie
Versuch
Nummer 2:
Zellgröße
und Oberflächen-Volumen-Verhältnis
Datum
der Durchführung des Experimentes:
23.08.2013
Versuchsgruppe:
Tim
,,
Protokollant:
Tim
Gliederung
Thema
|
Seitenzahl
|
Deckblatt
|
1
|
Gliederung
|
2
|
Einleitung
|
2-3
|
Material und
Methoden
|
4-5
|
Versuchsdurchführung
|
6-7
|
Darstellung der
Versuchsergebnisse
|
7-10
|
Auswertung
der Versuchsergebnisse
|
11-13
(+3
Graphen)
|
Interpretation
und Reflexion der Versuchsergebnisse
|
13-14
|
Einleitung
In
den nun folgenden Seiten wird Ihnen das Experiment zur Zellgröße
und dem Oberflächen-Volumen-Verhältnis, welches vom Bio-Kurs der
11a am 23.08.2013 durchgeführt wurde, detailiert erläutert und
vorgestellt. Das vorliegende Protokoll dokumentiert und beschreibt
die Versuchsdurchführung sowie die daraus hervorgegangenen
Ergebnisse. Ziel des Versuches war es folgendes zu illustrieren: Wenn
es zu einem undefinierten/unbeschränktem Wachstum einer Zelle kommt,
können bestimmte Bereiche einer Zelle nicht mehr in ausreichender
Fülle Stoffe mit dem Außenmedium austauschen, da das Verhältnis
von Zelloberfläche, durch die der Stoffaustausch
stattfindet, und Zell-Volumen, in dem der Stoffwechsel
stattfindet, mit wachsender Zell-Größe zunehmend ungünstiger wird.
Die zentrale Hypothese lautet dahingehend, dass das
Oberflächen-Volumen-Verhältnis einer Zelle den Austausch von
Stoffen mit dem Außenmedium beeinflusst und dass dadurch die
Zellgröße beschränkt werden kann.
Überprüft
werden soll diese These anhand von drei Behandlungen. Je Behandlung
werden Gelatinewürfel unterschiedlicher Kantenlänge und Anzahl mit
dem Außenmedium,Leitungswasser, in einem Becherglas in Kontakt
gebracht.In jedem dieser Gelatinewürfel ist Natrium-Chlorid
enthalten. Beim Aufeinandertreffen der Gelatinewürfel und dem
Außenmedium kommt es zum Kontakt von zwei Oberflächen, dem Inneren
der Würfel, dem NaCl und dem Leitungswasser ohne NaCl. Nun
dissoziiert NaCl in positiv geladene Na-Ionen(Kationen) und negativ
geladene Cl-Ionen(Anionen) . Da sowohl Natrium als auch Chlor
bewegliche/geladene Ladungsträger besitzen, ist die elektrische
Leitfähigkeit proportional zur Konzentration der Ionen.Es besteht
ein Konzentrationsgefälle(-gradient) zwischen den positiven Na-Ionen
und den Negativen Cl-Ionen im Inneren der Würfel und dem
Außenmedium. Durch Diffusion gelangen Ionen aus dem Inneren des
Würfels ins Außenmedium und verändern somit die elektrische
Leitfähigkeit des Außenmediums,da nun Ladungsträger im Außenmedium
vorhanden sind. Desto höher die Diffusionsgeschwindigkeit, desto
höher auch der Salzgehalt und damit die elektrische Leitfähigkeit
im Außenmedium. Dadurch,dass die Gelatinewürfel je Behandlung eine
unterschiedliche Kantenlänge und Anzahl besitzen,ändert sich auch
das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen.Durch die Beobachtung
durch einen Sensor für elektrische Leitfähigkeit lässt sich
überprüfen, wie sich das O/V- Verhältnis der Gelatinewürfel auf
die elektrische Leitfähigkeit auswirkt und damit auch auf den
Austausch der Stoffe mit dem Außenmedium. Weitergehend kann man so
nachweisen , ob das O/V-Verhältnis die Zellgröße beschränkt.
Material
und Methoden
Benötigte
Materialien
|
Anzahl
bzw. Menge der Materialien
|
Gelatine-Würfel
mit einer Kantenlänge von ca 24 mm, hergestellt aus
Leitungswasser mit einer Zugabe von ca. 20g NaCl(Kochsalz)/Liter
|
3
|
Leitungswasser
(Salzgehalt=0,00%)
|
900ml
|
Bechergläser
|
3
|
Petrischalen(
Behandlung 2 u. 3)
|
3
|
Stoppuhr
|
1
|
Messgerät für
elektrische Leitfähigkeit
|
1
|
Messer
|
1
|
Methoden
zur Datenerfassung
Um
die elektrische Leitfähigkeit zu bestimmen/erfassen, haben wir ein
von der Schule zur Verfügung gestellten Sensor für Leitfähigkeit
erhalten. Diesen haben wir mit einem Laptop verbunden und
anschließend wurde mit Hilfe eines Programms die Veränderungen der
elektrischen Leitfähigkeit im Verlauf einer bestimmten Zeit in einem
Graphen dargestellt. Dieses Verfahren wurde drei Mal genutzt, um die
Unterschiede der elektrischen Leitfähigkeit ,die während der drei
Behandlungen auftreten ,optimal vergleichen zu können.
Des
Weiteren haben wir eine chemische Reaktion zwischen NaCl und
Leitungswasser bezwungen, um die unterschiedlichen Vorgänge des
Austausches des Inneren des Würfels, dem NaCl und dem Leitungswasser
beobachten zu können.
Skizze
Versuchsdurchführung
Begonnen
hat unsere Versuchsgruppe, zusammengestellt aus , Julian
Bethge und mir, mit dem Zusammensammeln aller benötigten
Materialien. Vorerst haben wir unsere Tische derart aneinandergefügt,
dass ein unproblematisches Arbeiten möglich war. Nachdem wir alle
benötigten Materialien beisammen hatten, haben wir mit dem
Hochfahren des Laptops begonnen. Gleichzeitig hat Gerrit drei
Bechergläser mit jeweils 400 ml Leitungswasser ohne jeglichen Zusatz
von Salz besorgt. Eine Stoppuhr war bereits im Laptop integriert,
daher nicht erforderlich. Ich habe mich zeitgleich um die drei
Petrischalen gekümmert. Anschließend haben wir von unserem Lehrer
ein Messer und pro Gruppe jeweils 3 Gelatinewürfel mit einer
ungefähren Kantenlänge von 24 mm erhalten. Anschließend haben
Gerrit und ich das Schneiden der Gelatine-Würfel in die vorgegebenen
Maße übernommen. Behandlung 1. hat kein Schneiden des Würfels
erfordert, da nur ein Würfel(n=1) mit einer Kantenlänge von a= 24
mm benötigt wurde. Bei Behandlung 2. musste der Gelatinewürfel in
n=8 gleichgroße Würfel mit je a=12 mm Kantenlänge zerschnitten
werden. Der Gelatine-Würfel in Behandlung 3. erforderte ein
Zerschneiden in n=27 gleichgroße Würfel mit je a=8 mm Kantenlänge.
Das Zurechtschneiden der Würfel fiel nicht sonderlich schwer. Julian
stellte währenddessen die Anzahl der zu erfassenden Daten im
Programm ein sowie die Intervalle zwischen denen gemessen werden
sollte. Nachher haben wir insgesamt 120 Sekunden(2 Min.) gemessen mit
jeweils einem Messwert pro Sekunde,so dass wir auf 120 Messwerte
gekommen sind. Danach haben wir den Sensor für elektrische
Leitfähigkeit erhalten, ihn kurz gesäubert und diesen dann über
das Messgerät mit dem Laptop verbunden. Kurz vor dem Start des
Experimentes haben wir die Berechnungen der Oberfläche und des
Volumens und deren Verhältnis zueinander je Behandlung die jeweilige
Anzahl an Würfeln vorgenommen. Somit hatten wir schon eine ungefähre
Ahnung , in welche Richtung das Experiment gehen könnte. Nachdem der
Sensor startbereit war, haben wir mit der Behandlung 1. begonnen. Ein
Mitglied unserer Gruppe hat den Laptop überwacht und den Start der
Messung , ein Anderer hat das Hereingeben des Gelatine-Würfels in
das Leitungswasser übernommen und Gerrit hat für das Umrühren
gesorgt. Nachdem wir 120 Sekunden gemessen hatten, haben wir eine
lineare Anpassung des aufgezeichneten Graphens vorgenommen, um eine
ungefähr lineare Steigung der elektrischen Leitfähigkeit zu
erreichen. Dabei ist uns aufgefallen, dass bei einigen Messwerten
große Unterschiede zu den anderen Werten auftraten . Der Grund dafür
war schnell gefunden. Durch das anfänglich zu schnelle Umrühren
Gerrits kam es zu ungenauen Messwerten, daher teilweise die großen
Ausbuchtungen und Berge im Graphen. Nach dem gleichen Prinzip haben
wir die Messungen bei Behandlung 2. und Behandlung 3. vorgenommen.Was
noch wichtig zu erwähnen ist ,dass man das Abwaschen des Sensor
zwischen den Behandlungen nicht vergisst ,da auch das zu einer
Verfälschung der Messergebnisse führen kann. Nach dem Durchführen
aller drei Behandlungen hatten wir pro Behandlung jeweils einen
Graphen mit linearer Anpassung, an denen wir die Steigung während
der 120 Sekunden für die elektrische Leitfähigkeit ablesen konnten.
Anschließend haben wir unsere Graphen unter Schule, Behandlung 1.,
Behandlung 2. und Behandlung 3. auf einem von mir mitgebrachten
USB-Stick abgespeichert . Die Schulstunde ging langsam zu Ende und
wir begannen mit dem Aufräumen des Arbeitsplatzes. Ein
Gruppenmitglied hat abgewaschen und den Sensor gesäubert, einer hat
die elektrischen Geräte zurückgebracht und der Andere hat
währenddessen noch die Speicherung der Graphen durchgeführt.
Damit
war die Schulstunde nach dem Austeilen einer Anleitung zum
Versuchsprotokoll beendet.
Darstellung
der Versuchsergebnisse
Leider
hatte unserer Versuchsgruppe das Unglück ,dass wir die Dartei, die
unsere Messwerte auf dem USB-Stick beinhaltet ,nicht öffnen
konnten. Trotz des Herunterladen verschiedener Entpacker-Programme,
haben wir die BTF- Datei nicht öffnen können. Nachdem wir uns bei
Ihnen gemeldet haben, haben wir alle
die Messwerte in Form eines Graphens von Sophia erhalten.(ungenauer)
-
Elektrische
Leitfähigkeit [us/cm]
|
Zeit[s]
|
350
|
1
|
1000
|
10
|
1080
|
20
|
1190
|
30
|
1240
|
40
|
1310
|
50
|
1460
|
60
|
1510
|
70
|
1580
|
80
|
1640
|
90
|
1710
|
100
|
1800
|
110
|
1830
|
120
|
Tabelle
1. :Elektrische Leitfähigkeit des Außenmediums Leitungswasser mit
n=1 Gelatine-Würfel mit a=24mm
-
Elektrische
Leitfähigkeit[us/cm]
|
Zeit[s]
|
800
|
1
|
880
|
10
|
930
|
20
|
1010
|
30
|
1090
|
40
|
1120
|
50
|
1150
|
60
|
1200
|
70
|
1230
|
80
|
1280
|
90
|
1300
|
100
|
1330
|
110
|
1380
|
120
|
Tabelle
2. : Elektrische Leitfähigkeit des Außenmediums mit n=8
gleichgroßen Gelatine-Würfeln mit je a=12mm Kantenlänge
Tabelle3.:
Elektrische Leitfähigkeit des Außenmediums Leitungswasser mit n=27
gleichgroßen Gelatine-Würfeln mit je a=8mm Kantenlänge
Elektrische
Leitfähigkeit[us/cm]
|
Zeit[s]
|
400
|
1
|
820
|
10
|
860
|
20
|
900
|
30
|
940
|
40
|
960
|
50
|
980
|
60
|
990
|
70
|
1020
|
80
|
1050
|
90
|
1066
|
100
|
1070
|
110
|
1080
|
120
|
Die
Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Außenmediums
Leitungswasser mit Gelatine-Würfeln erfolgte anhand einer
120-sekündigen Messung nach Hereingabe der Würfel in das
Außenmedium. Gemessen wurde dabei die Veränderung der elektrischen
Leitfähigkeit durch NaCl(Kochsalz) in Form von Gelatine-Würfeln.
Auswertung
der Versuchsergebnisse
Graphik
1: Elektrische Leitfähigkeit eines Gelatine-Würfels mit der
Kantenlänge a=24mm in Leitungswasser
Zur
Darstellungsweise aller drei Graphen ist zu sagen ,dass es sich um
ganz standartartige Koordinatensysteme mit einer x- und einer y-Achse
handelt .Die x-Achse trägt die Zeit in Sekunden und die y-Achse die
elektrische Leitfähigkeit in uS/cm. Bei jedem dieser Graphen wurde
eine lineare Anpassung durchgeführt, der den ungefähren linearen
Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit deutlich macht.
In
Graphik 1 erkennt man einen deutlichen Anstieg der elektrischen
Leitfähigkeit bei der Hereingabe des Gelatine-Würfels mit der
Kantenlänge a=24mm. Der Kurvenverlauf ist annähernd linear. Wie
schon kurz erwähnt, kam es sowohl bei uns als auch bei der
Versuchsgruppe von Sophia, von der wir die Graphen erhalten haben, zu
anfänglichen Messungenauigkeiten, erkennbar durch auffallend hohe
Werte. Grund dafür war das zu schnelle Umrühren des Außenmediums
mit NaCl . Verglichen mit Graphik 2 und Graphik 3 erfährt das
Außenmedium Leitungswasser den höchsten Anstieg der elektrischen
Leitfähigkeit durch Hereingabe des Gelatine-Würfels n=1 mit der
Kantenlänge a=24mm . Die Oberfläche des hereingegebenen Würfels
beträgt 3456mm², das Volumen beträgt, wie auch in Behandlung 2.
und 3., 13824mm³.Das heißt,dass obwohl das O/V-Verhältnis mit ¼
mm(hoch -1) am Geringsten ist, sorgt der Gelatine-Würfel im
Außenmedium Leitungswasser für den größten Anstieg der
elektrischen Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit nach 120 Sekunden
betrug bei Behandlung 1 ungefähr 1850 uS/cm.
Graphik
2 : Elektrische Leitfähigkeit von Gelatine-Würfeln n=8 mit der
Kantenlänge a=12mm in Leitungswasser
Graphik
2 , meiner Meinung nach die am Besten gelungene Messung, stellt
beinahe eine lineare Optimumkurve dar, da die Messwerte von der
linearen Anpassung nur minimal abweichen.
Es
erfolgt ebenfalls ein hoher Anstieg, der jedoch nicht an die Werte
der Graphik 1 rankommt. Die Leitfähigkeit der Behandlung 2 betrug
nach 120 Sekunden Messung ungefähr 1400 uS/cm und liegt damit
deutlich unter dem Höchstwert der Graphik 1 mit 1850 uS/cm. Die
Oberfläche der insgesamt 8 Würfel betrug 6912mm², das Volumen
13824mm³. Das O/V-Verhältnis beträgt ½ mm(hoch -1). Die
Oberfläche der 8 Würfel insgesamt ist doppelt so hoch wie die
Oberfläche des einen Würfels mit der Kantenlänge von 24mm. Das
heißt, dass eine größere Oberfläche keine entscheidende Rolle zum
Verstärken der elektrischen Leitfähigkeit spielt. Das heißt ,dass
desto kleiner das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist,desto
höher auch der Austausch von Stoffen mit dem Außenmedium.Das
bedeutet ,dass die Aussage,dass das O/V-Verhältnis den Austausch von
Stoffen mit dem Außenmedium beeinflusst, korrekt ist.
Graphik
3 : Elektrische Leitfähigkeit von Gelatine-Würfeln n=27 mit der
Kantenlänge a=8mm in Leitungswasser
Graph
3 zeigt den geringsten Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit auf .
Der Höchstwert der Leitfähigkeit betrug nach 120 Sekunden nur
ungefähr 1100 uS/cm. Der Kurvenverlauf ist wieder relativ linear.Die
Oberfläche aller 27 Würfel betrug 10368mm², das Volumen 13824mm³.
Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen beträgt ¾ mm(hoch -1)
und ist damit das größte O/V-Verhältnis aller drei Behandlungen
und zeigt den geringsten Anstieg.
Durch
die Auswertung der hier vorliegenden Versuchsergebnisse kommt man zu
der Erkenntnis, dass desto höher das Verhältnis von Oberfläche zu
Volumen der Würfel ist, desto weniger stark wird die elektrische
Leitfähigkeit verstärkt. Es ist nicht die große Oberfläche der
Würfel im Verhältnis zum Volumen, die für eine Verstärkung der
elektrischen Leitfähigkeit sorgt,sondern das geringe Verhältnis von
Oberfläche zu Volumen. Desto kleiner das Verhältnis von Oberfläche
zu Volumen ,desto stärker der Anstieg der elektrischen
Leitfähigkeit.(Behandlung 1)
Daraus
lässt sich schließen, dass die Diffusionsgeschwindigkeit bei einem
geringeren Verhältnis von Oberfläche zu Volumen höher ist , da die
Diffusion,die dafür sorgt,das Ionen ins Außenmedium gelangen, für
die Verstärkung der elektrischen Leitfähigkeit verantwortlich ist.
6.)
Interpretation
und Reflexion der Versuchsergebnisse
Durch
die Durchführung des Experimentes ist man zu folgender Erkenntnis
gekommen: Desto geringer das Oberflächen/Volumen –Verhältnis der
Würfel ist ,desto stärker ist die im Außenmedium erzeugte
elektrische Leitfähigkeit. Klar erkennen konnte man dies an
Behandlung 1, bei der das Verhältnis zwischen Oberfläche und
Volumen nur ¼ mm(hoch -1) betrug. Trotz diesem geringen Wert zeigte
sich bei der Behandlung der größte Anstieg der Leitfähigkeit.
Daraus kann man schließen,dass die Diffusionsgeschwindigkeit in
Behandlung 1 am größten gewesen sein muss, da durch Diffusion die
Ionen aus dem Inneren in das Außenmedium gelangen und somit die
elektrische Leitfähigkeit im Außenmedium erhöhen können. Das
wiederrum bedeutet,dass es korrekt ist ,wenn man sagt ,dass das
Oberflächen/Volumen-Verhältnis den Austausch von Stoffen mit dem
Außenmedium beeinflusst und die Zellgröße beschränken kann. Denn
bei den anderen Behandlungen haben sich aufgrund verschiedener
Oberflächen/Volumen-Verhältnisse, in unserem Fall höhere,
niedrigere Diffusionsgeschwindigkeiten ergeben und somit ein
schlechterer Austausch von Stoffen mit dem Außenmedium und somit
eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit. Es hat sich gezeigt,dass
bei einer zu großen Oberfläche, das heißt einem zu hohen
Oberfläche/Volumen-Verhältnis, ein vernünftiger Stoffaustausch mit
dem Außenmedium nicht mehr möglich ist , das
Oberflächen/Volumen-Verhältnis wird immer ungünstiger,daher ein
geringerer Austausch mit dem Außenmedium. Damit ist die Hypothese
der Beeinflussung des Oberflächen/Volumen-Verhältnis auf den
Austausch von Stoffen mit dem Außenmedium bewiesen, genauso wie die
dadurch bedingte Beschränkung der Zellgröße und wird als korrekt
erklärt.
Die
ursprünglichen Erwartungen meiner Versuchsgruppe waren das Gegenteil
dessen, was sich letztendlich herausgestellt hat. Wir waren der
Ansicht, dass Behandlung 3 die größte Verstärkung der elektrischen
Leitfähigkeit bezwecken würde und somit auch den flüssigsten
Austausch des Inneren der Würfel, dem NaCl und dem Außenmedium
Leitungswasser. Wir haben uns zu sehr von der hohen Zahl der
Oberfläche beeinflussen lassen und sind dementsprechend ohne weiter
groß darüber weiter nachzudenken von einem anderen Ergebnis
ausgegangen.
Die
Hypothese kann durch den Versuch gestützt werden, da wir anhand
unseres Versuches und unserer Messdaten die Hypothese beweisen
können.
Es
kam während der Versuchsdurchführung hauptsächlich nur zu einem
Fehler, dem anfänglich zu schnellen Umrühren der NaCl-Lösung, was
zu Ungenauigkeiten unserer Messdaten führte. Zudem gab es noch das
Problem mit dem Öffnen unserer Messdaten auf dem USB-Stick, jedoch
nicht während der Versuchsdurchführung.
Die
einzigen Verbesserungen ,die ich bei einer Wiederholung des Versuchs
anführen würde, wäre ein noch koordinierteres und strukturierteres
Arbeiten in der Gruppe, obwohl dieses auch schon in Ordnung war.
Ansonsten hat alles gut funktioniert.