Lufttett plastkammer med planter og enzymforsøk med hemmere
Lov på eksamen
- Kalkulator
- CAS
- Graftegner og regneark
- Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kan den løses uten PC?
Alle deloppgavene kan løses uten PC.
Fra 2027 er det bare kalkulator og skriftlige hjelpemidler på del 2. Vurderingen er gjort med KI og kan inneholde feil.
Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.
Et eksperiment om samvirket mellom dyr og planter
Et eksperiment som ble gjort i England, viser hvor avhengige vi er av plantene.
Vitenskapsmannen Iain Stewart oppholdt seg to døgn i et bare 30 m³ stort lufttett plastkammer, sammen med 160 planter som skulle fornye lufta han pustet i. Det var bananplanter, mais og andre planter som er kjent for å ha en særlig effektiv fotosyntese.
Lufta ble omtrent like vanskelig å puste i som på en fjelltopp 4500 meter over havet, men ellers hadde Stewart det mer som i tropene: Det var konstant sterkt lys, 26 grader celsius og en luftfuktighet på omtrent 65 %.
Stewart orket ikke å spise, og klarte bare så vidt å stå på beina. Han måtte hvile nesten hele tida, bortsett fra når han vannet plantene hver time. «Nå etterpå setter jeg virkelig pris på plantenes rolle i naturen», sa han.
Iain Stewart inne i det lufttette plastkammeret. Fra Science vol 333, 23. sept. 2011, side 1685
Forklar det Stewart opplevde. Forklar kort hvordan plantene og Stewart påvirket lufta i plastkammeret.
Hva ville du ha gjort av undersøkelser og beregninger på forhånd for å være sikker på at det var mulig å overleve i to døgn i et slikt rom?
Hvilke forandringer kan du gjøre med eksperimentet slik at det kan bli bedre luft så forsøkspersonen kan orke å være mer aktiv? Forklar hvorfor det du foreslår, kommer til å virke.
Et eksperiment med enzymer og inhibitorer / hemmere
Forskerne brukte tre kolber som alle inneholdt like mye enzym og like mye substrat pr. liter. De merket kolbene med bokstavene a, b og c. De samlet opp produktet, som var en gass.
Forskerne tilsatte noen dråper konkurrerende inhibitor/hemmer til en av kolbene, og noen dråper ikke-konkurrerende inhibitor til den andre kolben. I den tredje kolben fikk enzymet virke på substratet uten noen inhibitor.
Forskerne gjentok forsøket fem ganger, og gjorde endringer fra gang til gang slik figuren viser.
Figuren under viser resultatet av eksperimentet. Kolbene a, b og c er vist med blå, grønne og røde søyler.
Forklar med hjelp av figuren hva forskerne endret under dette forsøket, og hva de målte.
Forklar hvordan du kan se av figuren om det er brukt inhibitor eller ikke i kolbe a, b og c.
Forklar hvordan kan du se av figuren hvilken kolbe det er som forskerne har tilsatt konkurrerende inhibitor.
Forklar hvorfor både søyle a og søyle c har samme høyde i forsøk 4 som i forsøk 5.
Fasit
1) Plantene tok opp og ga fra seg i fotosyntesen, mens både Stewart og plantene brukte og ga fra seg i celleåndingen. Fotosyntesen holdt ikke tritt med forbruket, så oksygennivået sank og Stewart fikk symptomer som ved oksygenmangel i høyden.
Regne ut hvor mye oksygen det er i 30 m³ luft, hvor mye en person i hvile bruker på to døgn, og hvor mye netto oksygen 160 planter gir per døgn under de gitte lys- og temperaturforholdene. Sette en nedre grense for og en øvre grense for , og ha måleutstyr inne i kammeret.
Flere planter, sterkere lys hele døgnet, høyere -konsentrasjon, optimal temperatur, god vanning og næring, og vifter som gir luftsirkulasjon.
1) De økte substratmengden per liter i fem trinn og målte hvor mye gass (produkt) enzymet dannet per sekund.
Kolbe a er uten hemmer: den ligger høyest i forsøk 1–4 og blir aldri forbigått. b og c ligger lavere i forsøk 1–4 og må derfor ha hemmer.
Kolbe b har konkurrerende hemmer: den er lavest når det er lite substrat, og kommer opp på samme nivå som a når substratmengden er svært stor.
Enzymene er mettet. Da er det enzymmengden og ikke substratmengden som begrenser hastigheten, og mer substrat gir ingen økning.
LøsningsforslagKI-generert
I kammeret gikk to motsatte prosesser samtidig. Plantene drev fotosyntese i det sterke lyset. De tok opp og vann og ga fra seg :
Stewart drev celleånding hele tida, og det gjorde plantene også, i alle celler og hele døgnet. Celleåndingen går motsatt vei: den bruker og gir fra seg .
Fotosyntesen i de 160 plantene ga ikke nok overskudd av oksygen til å dekke det Stewart og plantene brukte. Derfor sank oksygeninnholdet i lufta, og -innholdet steg. Oppgaven sier bare at lufta ble like vanskelig å puste i som på 4500 meters høyde. Der er oksygenandelen fortsatt 21 %, men lufttrykket er bare rundt 57 % av trykket ved havflata. I et kammer med vanlig lufttrykk må oksygenandelen ned mot 12 % for å gi det samme oksygentrykket, og det er det nivået vi regner med her.
Lavere oksygeninnhold gir lavere oksygentrykk i lungene. Da blir blodet dårligere mettet med oksygen, og cellene får mindre oksygen til celleåndingen. Cellene lager derfor mindre ATP. Det merkes som slapphet, tung pust, hodepine og nedsatt matlyst — de samme symptomene som høydesyke. Kroppen sparte energi ved å hvile, og fordøyelse av mat krever oksygen den ikke hadde å avse. Plantene bidro også til den høye luftfuktigheten gjennom transpirasjon.
Jeg ville satt opp et oksygenregnskap for de to døgnene før forsøket startet.
Først hvor mye oksygen kammeret inneholder ved start. Vanlig luft er 21 % oksygen:
Så en nedre grense for hvor lavt oksygennivået kan synke. Setter jeg grensen ved 12 %, som gir samme oksygentrykk som luft på 4500 meter, er det igjen
Nettoforbruket over to døgn kan altså ikke være større enn
Deretter må jeg måle de to postene som går inn i regnskapet. Oksygenforbruket til forsøkspersonen i hvile måles i forkant per time, og regnes om til to døgn. Netto oksygenproduksjon per plante per time måles ved akkurat den lysstyrken, temperaturen og -konsentrasjonen som skal brukes, og ganges med 160. Det er nettoproduksjonen som teller, altså fotosyntesen minus plantenes egen celleånding.
I tillegg ville jeg regnet ut hvor høyt -nivået stiger. blir farlig lenge før oksygenet er brukt opp. Jeg ville også hatt målere for og inne i kammeret, en helsesjekk av forsøkspersonen på forhånd og en avtalt grense for å avbryte forsøket.
Målet er å øke netto oksygenproduksjon i kammeret.
Flere planter, eller planter med større bladareal, gir mer fotosyntese. Fotosynteseraten per plante er begrenset, så oksygenproduksjonen øker omtrent i takt med bladarealet.
Sterkere lys hjelper så lenge lyset er begrensende faktor, og lyset må stå på hele døgnet. Slukkes lyset, stopper fotosyntesen mens celleåndingen fortsetter, og oksygennivået faller raskt.
Høyere -konsentrasjon øker fotosyntesen når lys ikke er begrensende, fordi rubisco da får mer substrat i Calvin-syklusen. Her skjer det av seg selv: personen puster ut .
Temperaturen bør ligge på det optimale for enzymene i fotosyntesen, og plantene må ha rikelig vann og næring, særlig nitrogen, som trengs for å bygge klorofyll og enzymer. Tørkestress lukker spalteåpningene, og da stanser -opptaket.
Vifter som rører om lufta, fjerner det stillestående luftlaget rundt bladene, slik at lettere når inn gjennom spalteåpningene. Et større kammer, eller alger i en bioreaktor i stedet for potteplanter, ville gitt mye høyere oksygenproduksjon per volum.
Forskerne endret bare én variabel: mengden substrat per liter. Den økte i fem trinn fra svært lite i forsøk 1 til svært mye i forsøk 5, slik teksten langs den vannrette aksen viser. Enzymmengden per liter var den samme i alle kolbene hele tida.
Det de målte, står på den loddrette aksen: mengden gass per sekund. Gassen er produktet av reaksjonen, så dette er et mål på reaksjonshastigheten til enzymet.
Kolbe a ligger høyest i forsøk 1 til 4, og blir aldri forbigått av de andre. Siden alle kolbene har like mye enzym og like mye substrat, må a være kolben uten hemmer. Den viser hvor fort reaksjonen går når enzymet får arbeide fritt.
Kolbe b og kolbe c ligger lavere enn a i forsøk 1 til 4. De må derfor begge ha fått tilsatt en hemmer, som gjør at færre substratmolekyler blir omdannet per sekund.
Kolbe b har fått konkurrerende hemmer.
En konkurrerende hemmer likner på substratet og binder seg i det aktive setet på enzymet. Substrat og hemmer konkurrerer om de samme setene. Når det er lite substrat, vinner hemmeren ofte, og hastigheten blir sterkt redusert. Det stemmer med figuren: b er den laveste søyla i forsøk 1 og 2.
Øker substratmengden, øker sjansen for at et substratmolekyl kommer først. Hemmingen blir da gradvis opphevet. I figuren stiger b forbi c i forsøk 3, og i forsøk 5, med svært mye substrat, er b like høy som a. At hemmingen kan overvinnes med overskudd av substrat, er selve kjennetegnet på en konkurrerende hemmer.
Kolbe c har ikke-konkurrerende hemmer. Den binder seg et annet sted enn i det aktive setet og endrer formen på enzymet, slik at det aktive setet ikke lenger passer godt til substratet. Mer substrat hjelper ikke, og c kommer aldri opp på nivået til a.
I forsøk 4 er enzymene i kolbe a og kolbe c mettet. Alle de aktive setene som kan arbeide, er hele tida opptatt av substrat. Da er det antallet enzymmolekyler, ikke substratmengden, som setter grensen for hastigheten. Reaksjonen har nådd sin maksimale hastighet, og mer substrat i forsøk 5 gir derfor ingen høyere søyle.
Maksimalhastigheten er lavere for c enn for a, fordi den ikke-konkurrerende hemmeren har satt en del av enzymmolekylene ut av spill uansett hvor mye substrat det er.
Kolbe b var ikke mettet i forsøk 4. Der bandt den konkurrerende hemmeren fortsatt en del av de aktive setene. Først i forsøk 5 er substratoverskuddet stort nok til at hemmeren nesten ikke slipper til, og da når b samme maksimalhastighet som a.