ბიოლოგიის 5 სახალისო ექსპერიმენტი კლასისთვის: დნმ-დან ფოტოსინთეზამდე

ბიოლოგიის ექსპერიმენტების ჩატარება კლასში ძვირადღირებული ლაბორატორიის გარეშეც შეიძლება. ხუთი მარტივი და სახალისო ცდა: დნმ-ის გამოყოფა მარწყვიდან, ფოტოსინთეზის ცდა ფოთლის დისკებით, ოსმოსი კვერცხით ან კარტოფილით, უჯრედების დათვალიერება ტელეფონით და თესლის გაღივება ნიადაგის ტენიანობის სენსორით. ყველა მათგანი ზრდასრულის მეთვალყურეობით უსაფრთხოა და სახელმძღვანელოს თემებს პირდაპირ უკავშირდება.

ბიოლოგიაში ბევრი რამ უხილავია: უჯრედი, დნმ, ფოტოსინთეზი. სწორედ ამიტომ ცდას აქ განსაკუთრებული ძალა აქვს. როცა მოსწავლე საკუთარი ხელით გამოყოფს დნმ-ის თეთრ ძაფებს ან ხედავს, როგორ ამოტივტივდება ფოთლის დისკი სინათლეზე, აბსტრაქტული ცნება რეალური ხდება.

თითოეულ ცდას ახლავს მასალების სია, ნაბიჯები, მეცნიერული ახსნა და უსაფრთხოების წესები, ბოლოს კი ნახავთ იდეებს, როგორ აქციოთ ცდა STEAM პროექტად.

ბიოლოგიის ცდები: რომელი რა ასაკისთვისაა და რა დრო სჭირდება?

ცდა 1: დნმ-ის გამოყოფა მარწყვიდან

მასალები: 2–3 მარწყვი, ჰერმეტულად დასახური (ზიპ) პარკი, 100 მლ წყალი, 1 ჩაის კოვზი მარილი, 2 ჩაის კოვზი ჭურჭლის სარეცხი სითხე, ყავის ფილტრი ან დოლბანდი, გამჭვირვალე ვიწრო ჭიქა, საყინულეში გაცივებული სამედიცინო სპირტი (70–96%), ხის ჩხირი.

ნაბიჯები:

1. მოამზადეთ ექსტრაქციის ხსნარი: წყალი, მარილი და სარეცხი სითხე ნელა მოურიეთ, ქაფის გარეშე.
2. მარწყვი ჩადეთ პარკში, დაამატეთ 3 სუფრის კოვზი ხსნარი და 2 წუთი სრესეთ ხელით.
3. გადაწურეთ ფილტრით ჭიქაში, ჭიქის დაახლოებით მეოთხედამდე.
4. ჭიქის კედელზე ძალიან ნელა ჩაასხით იმავე მოცულობის ცივი სპირტი, ისე, რომ ფენა ზემოთ დარჩეს.
5. 1–2 წუთში ორი ფენის საზღვარზე თეთრი ძაფები გამოჩნდება: ეს დნმ-ის მოლეკულების უამრავი გროვაა. ხის ჩხირით ნელა დაახვიეთ.

რა ხდება და რატომ: სრესა ქსოვილს შლის და უჯრედებს ერთმანეთს აშორებს. სარეცხი სითხე შლის უჯრედის მემბრანას და ბირთვის გარსს, რომლებიც ცხიმისმაგვარი ნივთიერებებისგან (ლიპიდებისგან) შედგება, და დნმ ხსნარში გამოდის. მარილი ანეიტრალებს დნმ-ის მოლეკულების უარყოფით მუხტს და ეხმარება მათ, ერთად შეგროვდნენ. დნმ სპირტში არ იხსნება, ამიტომ საზღვარზე ძაფებად გამოიყოფა. მარწყვი იმიტომ არის კარგი, რომ რბილია და ოქტოპლოიდურია: მის უჯრედებში ქრომოსომების რვა ნაკრებია (ადამიანის უჯრედებში ორი), ამიტომ დნმ ბევრია.

უსაფრთხოება: სპირტი აალებადია და არ დაილევა: ახლოს ცეცხლი არ უნდა იყოს. დნმ-ის გამოსაყოფად ადამიანის, შინაური ცხოველის ან მწერის ქსოვილს არ ვიყენებთ.

ცდა 2: ფოტოსინთეზის ცდა ფოთლის დისკებით

მასალები: ისპანახის ან სხვა რბილი ფოთოლი, მსხვილი საწრუპი ან ქაღალდის სახვრეტელა, 10 მლ შპრიცი ნემსის გარეშე, 300 მლ წყალი, 1/8 ჩაის კოვზი საჭმლის სოდა, ერთი წვეთი სარეცხი სითხე, 2 გამჭვირვალე ჭიქა, მაგიდის ნათურა, ყუთი სიბნელისთვის.

ნაბიჯები:

1. წყალში გახსენით სოდა და დაამატეთ ერთი წვეთი სარეცხი სითხე.
2. ფოთლიდან ამოჭერით 10 დისკი, მსხვილი ძარღვების გარეშე.
3. დგუში ამოიღეთ, დისკები ჩადეთ შპრიცში, დგუში დააბრუნეთ, შეავსეთ 5 მლ ხსნარით და ჰაერი გამოდევნეთ.
4. თითით დახურეთ შპრიცის წვერი და დგუში 10 წამით უკან გაქაჩეთ. გაიმეორეთ 2–3-ჯერ (არაუმეტეს 5-ჯერ, თორემ დისკები დაზიანდება), სანამ დისკები არ ჩაიძირება.
5. დისკები გადაიტანეთ ხსნარიან ჭიქაში და დადგით ნათურის ქვეშ. მეორე ჭიქა ყუთში დადგით, სიბნელეში.
6. ყოველ წუთს დათვალეთ, რამდენი დისკი ამოტივტივდა.

რა ხდება და რატომ: შპრიცის ვაკუუმი ფოთლის შიდა სივრცეებიდან ჰაერს გამოდევნის, მის ადგილს ხსნარი იკავებს და დისკები იძირება. სარეცხი სითხის წვეთი ხსნარს ეხმარება, ფოთლის ცვილისებრ ზედაპირში შეაღწიოს. სინათლეზე ფოთოლი ფოტოსინთეზს იწყებს: სოდის ხსნარიდან ნახშირორჟანგს იყენებს და ჟანგბადს გამოყოფს. ჟანგბადი ფოთლის შიგნით გროვდება და დისკი ამოტივტივდება. სიბნელეში დისკები ფსკერზე რჩება. ეს ცდის საკონტროლო ჯგუფია.

გაგრძელება: ნათურა დადგით სხვადასხვა მანძილზე (10, 20, 30 სმ) და შეადარეთ, რამდენ წუთში ამოტივტივდება დისკების ნახევარი. ბრიტანეთის სამეფო ბიოლოგიური საზოგადოების (Royal Society of Biology) სასწავლო მასალებში აღნიშნულია, რომ სინათლის ინტენსივობა მანძილის კვადრატის უკუპროპორციულია, ხოლო ნათურა წყალს ათბობს და ტემპერატურა ცდის შედეგზე ცალკე მოქმედებს. ამიტომ ჯობია LED ნათურა, რომელიც ნაკლებად ცხელდება.

ცდა 3: ოსმოსი კვერცხით ან კარტოფილით

ვარიანტი A, კვერცხი ნაჭუჭის გარეშე: ნედლი კვერცხი ჩადეთ ჭიქაში სუფრის ძმრით და დატოვეთ 24–48 საათი (ერთი დღის შემდეგ ძმარი შეცვალეთ). ნაჭუჭი კალციუმის კარბონატისგან შედგება: ძმარმჟავასთან რეაქციაში ის იხსნება და ნახშირორჟანგის ბუშტუკები გამოიყოფა. დარჩება კვერცხი მხოლოდ თხელი გარსით. ასე მოამზადეთ ორი კვერცხი. ფრთხილად ჩამოიბანეთ, აწონეთ და ჩადეთ: ერთი წყალში, მეორე ძალიან ტკბილ სიროფში ან მარილიან წყალში. 24 საათის შემდეგ ისევ აწონეთ.

ვარიანტი B, კარტოფილის ჩხირები: ზრდასრულმა დაჭრას კარტოფილის 6 ერთნაირი ჩხირი. აწონეთ, სამი ჩადეთ ჩვეულებრივ წყალში, სამი მარილიან წყალში (1 სუფრის კოვზი 200 მლ-ზე). 30–60 წუთის შემდეგ გაამშრალეთ ქაღალდის ხელსახოცით და ისევ აწონეთ. გამოთვალეთ მასის ცვლილება პროცენტებში.

რა ხდება და რატომ: კვერცხის გარსი და კარტოფილის უჯრედების მემბრანები შერჩევითად განვლადია: წყალს ატარებს, გახსნილ ნივთიერებებს კი ცუდად. ოსმოსის დროს წყალი გადადის იქით, სადაც გახსნილი ნივთიერების კონცენტრაცია მეტია. ამიტომ წყალში კვერცხი იბერება და მძიმდება, სიროფში კი პატარავდება. კარტოფილი წყალში მაგარი რჩება, მარილიანში კი რბილდება და იღუნება: უჯრედებმა წყალი დაკარგეს.

უსაფრთხოება: ნაჭუჭის გარეშე კვერცხი ადვილად სკდება, ნიჟარის თავზე იმუშავეთ. ნედლი კვერცხის შემდეგ ხელები დაიბანეთ. კვერცხი ცდის შემდეგ არ იჭმევა.

ცდა 4: უჯრედები ტელეფონის კამერით

მასალები: ტელეფონი, სკოლის მიკროსკოპი ან ტელეფონზე მისამაგრებელი მაკრო ლინზა, ხახვი, საგნობრივი მინა, საფარი მინა, წყალი, პინცეტი.

ნაბიჯები:

1. ხახვის ფენის შიგნითა მხრიდან პინცეტით აიღეთ ძალიან თხელი, გამჭვირვალე კანი.
2. გაშალეთ საგნობრივ მინაზე, წყლის წვეთში, და ზემოდან ფრთხილად დააფარეთ საფარი მინა.
3. თუ მიკროსკოპი გაქვთ, ტელეფონის კამერა მიადეთ ოკულარს და ნელა მოძებნეთ მკვეთრი გამოსახულება. მაკრო ლინზა უჯრედების სანახავად სუსტია, მაგრამ მისით ფოთლის ძარღვები, მარილის კრისტალები და ქსოვილის ბოჭკოები კარგად ჩანს.
4. გადაიღეთ ფოტო და მონიშნეთ, რას ხედავთ.

რა ხდება და რატომ: მიკროსკოპში ხახვის კანი მართკუთხა უჯრედებად იყოფა, რომლებიც აგურის კედელს ჰგავს. ხაზები უჯრედის კედლებია, რომლებიც მცენარის უჯრედს მყარ ფორმას აძლევს. ზოგ უჯრედში ბირთვიც ჩანს, მუქი წერტილის სახით. მასწავლებელს შეუძლია ნიმუში იოდის ხსნარის (მაგალითად, ლუგოლის ხსნარის) ერთი წვეთით შეღებოს, მაშინ ბირთვები უკეთ გამოჩნდება.

უსაფრთხოება: იოდის ხსნარს მხოლოდ ზრდასრული იყენებს, ის კანს და ტანსაცმელს ღებავს და თვალს აღიზიანებს. მინები ფრთხილად დაიჭირეთ: საფარი მინა ძალიან თხელია და ადვილად ტყდება.

ცდა 5: თესლის გაღივება ნიადაგის სენსორით

მასალები: ლობიოს ან წიწმატის თესლი, 3 ქოთანი მიწით, სახაზავი, Arduino, ტევადობითი (capacitive) ნიადაგის ტენიანობის სენსორი.

ნაბიჯები:

1. სამ ქოთანში ერთნაირად დათესეთ თესლი. პირველი მორწყეთ ზომიერად, მეორე ნუ მორწყავთ, მესამე ძალიან ბევრი წყლით.
2. სენსორი ჯერ დააკალიბრეთ: ჩაიწერეთ მისი მნიშვნელობა ჰაერში (მშრალი) და წყალში (სველი). წყალში და მიწაში ის მხოლოდ მონიშნულ ხაზამდე ჩადეთ, ზედა ნაწილი ელექტრონიკითაა.
3. სენსორი ჩადეთ ქოთანში და Arduino-თი ჩაწერეთ ტენიანობა ყოველ საათში.
4. ყოველდღე სახაზავით გაზომეთ აღმონაცენის სიმაღლე და ჩაწერეთ ცხრილში.

რა ხდება და რატომ: თესლს გაღივებისთვის სჭირდება წყალი, ჟანგბადი და შესაფერისი ტემპერატურა. წყალი ააქტიურებს ფერმენტებს, რომლებიც თესლის საკვებ მარაგს შლიან და ჩანასახს ზრდისთვის ენერგიას აძლევენ. მშრალ მიწაში თესლი არ ღვივდება, წყლით გადავსებულ მიწაში კი ჟანგბადი აკლია. ტევადობითი სენსორი ჯობია ორფეხა რეზისტორულს, რადგან მისი ელექტროდები ნიადაგს უშუალოდ არ ეხება, კოროზიას არ განიცდის და დიდხანს ძლებს.

უსაფრთხოება: მიწასთან მუშაობის შემდეგ ხელები დაიბანეთ. Arduino USB-ით იკვებება და დაბალი ძაბვით მუშაობს, მაგრამ წყალი ელექტრონიკის დაფას არ უნდა მოხვდეს.

როგორ ვაქციოთ ბიოლოგიის ცდა STEAM პროექტად?

ცდა პროექტად მაშინ იქცევა, როცა მოსწავლე სვამს კითხვას, ზომავს და მონაცემებს აანალიზებს:

• მათემატიკა: ფოთლის დისკების ამოტივტივების დრო ნათურის მანძილის მიხედვით, გრაფიკი Google Sheets-ში.
• ტექნოლოგია: თესლის ცდა Arduino-თი, რომელიც ტენიანობას იწერს და ნიადაგის გამოშრობისას შუქდიოდს ანთებს.
• ხელოვნება: უჯრედების ფოტოებიდან გამოფენა ან პლაკატი „რა არის ჩვენს სამზარეულოში“.
• ინჟინერია: პატარა სათბურის მოდელი, სადაც თესლის ცდა ავტომატურად იმართება.

ქიმიური ცდები, რომლებიც ამ სერიას კარგად ავსებს, აღწერილია სტატიაში ქიმიური ცდები სახლის პირობებში და კლასში, ხოლო ელექტრობისა და მაგნეტიზმის ცდები სტატიაში ფიზიკის 5 მარტივი ცდა. სენსორთან მუშაობის საფუძვლები იხილეთ სტატიაში Arduino დამწყებთათვის, ხოლო როგორ დაგეგმოთ ასეთი პროექტები სკოლის დონეზე, სტატიაში STEAM განათლება სკოლაში.

ხშირად დასმული კითხვები

როგორ გამოვყოთ დნმ სახლის პირობებში?

საჭიროა მარწყვი, მარილი, ჭურჭლის სარეცხი სითხე და ცივი სპირტი. მარწყვი სრესეთ მარილიან-საპნიან წყალში, გადაწურეთ და ზემოდან ნელა დაასხით ცივი სპირტი. საზღვარზე თეთრი ძაფები დნმ-ია. სპირტთან მხოლოდ ზრდასრული მუშაობს.

რატომ ამოტივტივდებიან ფოთლის დისკები სინათლეზე?

ფოტოსინთეზის დროს ფოთოლი ჟანგბადს გამოყოფს, რომელიც ფოთლის შიდა სივრცეებში გროვდება და დისკს მსუბუქს ხდის. სიბნელეში ფოტოსინთეზი არ მიდის, ამიტომ დისკები ფსკერზე რჩება.

რომელი სპირტი გამოვიყენოთ დნმ-ის გამოსაყოფად?

იზოპროპილის ან ეთილის სპირტი 70–96% კონცენტრაციით, მაგალითად აფთიაქის სამედიცინო სპირტი. რაც უფრო ცივია, მით უკეთესად გამოიყოფა დნმ, ამიტომ წინასწარ, დახურული ბოთლით, საყინულეში შეინახეთ. სპირტი აალებადია: ცეცხლთან ახლოს ნუ იმუშავებთ.

შეიძლება თუ არა ბიოლოგიის ცდები მიკროსკოპის გარეშე?

დიახ. დნმ-ის გამოყოფა, ფოთლის დისკები, ოსმოსი და თესლის გაღივება მიკროსკოპს არ საჭიროებს. უჯრედების სანახავად კი სკოლის მარტივი მიკროსკოპი და ტელეფონის კამერა საკმარისია.

რა ასაკისთვისაა ეს ცდები?

ოსმოსი, თესლის გაღივება და მიკროსკოპი 8–9 წლიდან შეიძლება. დნმ-ის გამოყოფა და ფოთლის დისკები უკეთ ესმით 10–11 წლიდან, როცა უჯრედის აგებულებას და ფოტოსინთეზს უკვე სწავლობენ.

შემდეგი ნაბიჯი

თუ ბავშვს თესლის ცდის შემდეგ სენსორები და საკუთარი ჭკვიანი მოწყობილობის აწყობა დააინტერესებს, კურსზე ელექტრონიკა და ჭკვიანი მოწყობილობები 10–13 წლის მოსწავლეები Arduino-ს, სენსორებს და პროგრამირებას სწავლობენ და ყოველ კვირას ახალ პროექტს აკეთებენ.

წყაროები

• How to Extract DNA from Anything Living, Genetic Science Learning Center, University of Utah
• Investigating factors affecting the rate of photosynthesis, Royal Society of Biology
• Investigating osmosis in chickens’ eggs, Royal Society of Biology
• Osmosis in chipped potatoes, Royal Society of Biology
• Capacitive Soil Moisture Sensor SEN0193, DFRobot Wiki
• Science at Home: Photosynthesis (floating leaf disks), University of Arizona MCB
• Origin and evolution of the octoploid strawberry genome (Edger et al., 2019), Nature Genetics / PMC
• Safety and School Science Instruction, NSTA