Diffusione e osmosi sono concetti importanti per capire come funzionano le cellule e gli organismi in generale. Invece di lasciare che gli studenti imparino attraverso l'osmosi, noi di Visible Body abbiamo messo insieme un piano di lezione che utilizza immagini per illustrare come funziona la diffusione.
Entro la fine di questa lezione, gli studenti impareranno
- I fattori che influenzano la velocità di diffusione
- La differenza tra diffusione e osmosi
- Come funziona una membrana selettivamente permeabile
- Il seguente vocabolario:
- Trasporto attivo
- Trasporto passivo
- Diffusione
- Osmosi
- Gradiente di concentrazione
- Membrana selettivamente permeabile
- Isotonico, ipotonico e ipertonico
- Pressione osmotica
Oltre all'accesso a Biologia Visibile, questa lezione richiederà quanto segue:
- Iodio
- Amido
- Una borsa con chiusura lampo
- Tre bicchieri o bicchieri
- Colorante alimentare
- Acqua calda e fredda
Passaggio 1: panoramica
All'inizio della lezione, prepara l'esempio di iodio per il passaggio 3 davanti agli studenti:
- Metti un cucchiaino di amido nel sacchetto di plastica.
- Riempi a metà un bicchiere d'acqua e aggiungi dieci gocce di iodio.
- Metti il sacchetto di amido nella soluzione.
A questo punto del corso, gli studenti sono a conoscenza delle parti della cellula e delle basi di ciò di cui le cellule hanno bisogno per funzionare. Per iniziare questa lezione, prendi bene ciò che sanno (parti della cella) e usalo come punto di ingresso per comprendere la diffusione.
Introdurre l'idea che ci sono due modi in cui le molecole si muovono nella cellula: trasporto attivo e trasporto passivo (più fagocitosi e pinocitosi).
Il trasporto attivo utilizza energia, il trasporto passivo no. Ci concentreremo oggi sul trasporto passivo, esaminando la diffusione e un tipo di diffusione chiamato osmosi.
Introduci il termine gradiente di concentrazione e spiega come questo concetto sia fondamentale per comprendere la diffusione.
Inizia illustrando una sfumatura usando i colori. Estrarre uno dei modelli cellulari in Biologia visibile. Accanto alla cella, usa lo strumento di disegno per disegnare una sfumatura di colore come illustrato nell'immagine qui sotto. Gli strumenti di trasparenza ti aiuteranno a passare dal colore saturo allo spazio vuoto. Fai notare agli studenti come una parte sia più appesantita di colore rispetto all'altra, rendendo le cose irregolari.
Il gradiente di concentrazione rappresentato da un gradiente di colore.
Usando lo stesso colore e un pennello semitrasparente, disegna un blocco rettangolare di colore diluito per rappresentare l'equilibrio. Confronta la sfumatura di colore con il blocco di colore equalizzato.
Quindi, spiega come questa stessa idea si applica alle molecole su entrambi i lati della membrana cellulare. Le particelle in un fluido si muovono casualmente; questo è noto come moto browniano. Maggiore è la concentrazione di particelle, più è probabile che le molecole vadano a sbattere contro altre molecole e acquisiscano energia sufficiente per rimbalzare via. A concentrazioni più basse, ciò accade meno spesso. La diffusione avviene quando le particelle si spostano lungo un gradiente di concentrazione da un'area a concentrazione più alta a un'area a concentrazione più bassa. Quando non c'è più gradiente, non c'è più differenza di energia tra le aree e quindi il movimento in tutte le direzioni diventa uguale.
Usando di nuovo lo strumento di disegno, disegna una sequenza di molecole di ossigeno in un gradiente che si muove nella cella.
Un gradiente di concentrazione che utilizza gli strumenti di disegno e il modello di cellula animale in Biologia visibile.
Se stai cercando altre risorse, questo video della nostra serie YouTube di Visible Biology offre una panoramica della diffusione divertente e di facile comprensione:
Lezione sulla diffusione della serie YouTube di Visible Biology con la Dott.ssa Cindy Harley.
Ripassa le domande per gli studenti:
- Descrivi le differenze tra trasporto attivo e passivo.
- Che cos'è un gradiente di concentrazione?
Passaggio 2: tassi di diffusione
Successivamente, mostra agli studenti la diffusione in azione ed esplora i fattori che influenzano la velocità con cui avviene la diffusione.
Prendete due bicchieri e versate l'acqua calda in uno e l'acqua fredda nell'altro. Versa 3-4 gocce di colorante alimentare in ciascuno dei becher e chiedi agli studenti di notare quanto velocemente il colorante alimentare si diffonde nei diversi becher.
Chiedere agli studenti perché il bicchiere dell'acqua calda e quello dell'acqua fredda potrebbero avere velocità di diffusione diverse.
Quindi, guida gli studenti attraverso i fattori che influenzano i tassi di diffusione. Questa tabella è adattata da Biology LibreText , un libro di testo open source:
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Estensione del gradiente di concentrazione |
Maggiore è la differenza di concentrazione, più rapida è la diffusione. Più la distribuzione del materiale si avvicina all'equilibrio, più lenta diventa la velocità di diffusione. |
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Massa delle molecole che si diffondono |
Le molecole più pesanti si muovono più lentamente; pertanto, si diffondono più lentamente. Il contrario è vero per le molecole più leggere. |
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Temperatura |
Temperature più elevate aumentano l'energia e quindi il movimento delle molecole, aumentando la velocità di diffusione. Temperature più basse diminuiscono l'energia delle molecole, diminuendo così la velocità di diffusione. |
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Densità del solvente |
All'aumentare della densità di un solvente, la velocità di diffusione diminuisce. Le molecole rallentano perché hanno più difficoltà a superare il mezzo più denso. Se il mezzo è meno denso, la diffusione aumenta. Poiché le cellule utilizzano principalmente la diffusione per spostare i materiali all'interno del citoplasma, qualsiasi aumento della densità del citoplasma inibisce il movimento dei materiali. Un esempio di questo è una persona che soffre di disidratazione. Quando le cellule del corpo perdono acqua, il citoplasma diventa più denso e la velocità di diffusione diminuisce nel citoplasma e le funzioni cellulari si deteriorano. I neuroni tendono ad essere molto sensibili a questo effetto. La disidratazione porta spesso all'incoscienza e forse al coma a causa della diminuzione della velocità di diffusione all'interno delle cellule. |
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Solubilità |
Come discusso in precedenza, i materiali non polari o liposolubili passano attraverso le membrane plasmatiche più facilmente rispetto ai materiali polari, consentendo una velocità di diffusione più rapida. |
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Area superficiale e spessore della membrana plasmatica |
L'aumento della superficie aumenta la velocità di diffusione, mentre una membrana più spessa la riduce. |
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Distanza percorsa |
Maggiore è la distanza che una sostanza deve percorrere, più tempo impiegano le molecole per arrivarci. Ciò pone un limite superiore alla dimensione della cella. Una cellula grande e sferica morirà perché i nutrienti o i rifiuti non possono raggiungere o lasciare il centro della cellula. Pertanto, le cellule devono essere di piccole dimensioni, come nel caso di molti procarioti, o appiattite, come con molti eucarioti unicellulari e animali senza sistema circolatorio (vermi piatti, per esempio). |
Si noti che i gradienti di concentrazione possono agire in direzioni opposte. Ad esempio, Na+ può muoversi in una direzione e K+ nella direzione opposta. A meno che non siano cariche, affollate, ecc., le molecole che si diffondono non sono influenzate da altri gradienti di concentrazione.
Ripassa le domande per gli studenti:
- Perché i bicchieri di acqua calda e fredda avevano velocità di diffusione diverse?
- Quali altri fattori influenzano la diffusione?
Fase 3: osmosi e membrane selettivamente permeabili
A differenza dell'esempio del colorante alimentare nel passaggio 2, in cui il colorante alimentare e l'acqua non hanno barriere tra di loro, le cellule hanno membrane che trattengono gli organelli e tengono fuori altre cose. Descrivi come quando la diffusione dell'acqua avviene attraverso una membrana, è nota come osmosi.
Per illustrare l'osmosi, torna all'esempio di amido e iodio che hai preparato in precedenza. Spiega che lo iodio cambia colore quando entra in contatto con l'amido. A questo punto, l'amido nel sacchetto sarà diventato viola perché il sacchetto di plastica è permeabile allo iodio; lo iodio si è spostato attraverso la membrana.
In una cellula, le molecole devono entrare e uscire dalla cellula, ma in che modo la membrana cellulare lascia passare solo alcune molecole?
Per aiutare gli studenti a comprendere la permeabilità selettiva, guarda l'animazione del trasporto cellulare in Biologia visibile. Discuti come due fogli di fosfolipidi creano una membrana selettivamente permeabile che lascia passare solo piccole molecole.
GIF da Biologia Visibile.
Torna al modello di cella di Biologia Visibile e allo strumento di disegno. Usando lo strumento di disegno, disegna molte altre molecole all'esterno della cellula e alcune all'interno e usa le frecce per illustrare il movimento delle molecole da un lato all'altro del gradiente di concentrazione.
Le molecole di ossigeno si muovono attraverso l'osmosi nella cellula mentre le molecole di glucosio rimangono all'esterno.
Introdurre il concetto di pressione osmotica.
Successivamente, introduci i diversi termini che descrivono le relazioni tra i lati della membrana. Le definizioni seguenti provengono da Biology Online.
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Isotonico |
Soluzioni classificate come aventi pressione osmotica equivalente o identica |
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Ipotonico |
Avere una pressione osmotica inferiore in un fluido rispetto a un altro fluido |
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Ipertonico |
Avere una maggiore pressione osmotica in un fluido rispetto ad un altro fluido |
Ripassa le domande per gli studenti:
- Cos'è una membrana selettivamente permeabile?
- Qual è la differenza tra i termini ipotonico, ipertonico e isotonico?
Passaggio 4: il quadro generale
Infine, collega brevemente osmosi e diffusione al quadro generale: in che modo la diffusione influisce su altri processi?
Ecco alcune idee per collegamenti di immagini grandi:
- Durante la respirazione cellulare, la diffusione si verifica quando l'ossigeno entra nella cellula e quando l'anidride carbonica esce.
- L'ossigeno entra nei polmoni attraverso la diffusione.
- Dai un'occhiata a questo webinar sulla fisiologia comparata del cuore della dottoressa Cindy Harley che discute di diffusione e cuori.
In che modo la diffusione e l'osmosi si relazionano con il corpo umano
La diffusione aiuta il passaggio di molecole vitali come acqua, anidride carbonica e ossigeno. Mentre nell'osmosi l'acqua viene trasportata da una soluzione a bassa concentrazione a una maggiore concentrazione. Questi processi sono molto vitali per molti processi vitali.
Quali sono gli esempi di diffusione nel corpo umano
La diffusione di sostanze chimiche e gas dentro e fuori le cellule è un'attività essenziale negli organi umani. La diffusione di ossigeno e anidride carbonica avviene nei polmoni. La diffusione di acqua, sali e prodotti di scarto avviene nei reni. La diffusione del calcio dal cibo nelle cellule avviene nell'intestino.
Dove la diffusione avviene nel corpo umano
Esempi di diffusione negli organismi viventi
L'ossigeno e l'anidride carbonica, disciolti nell'acqua, vengono scambiati per diffusione nei polmoni: l'ossigeno si sposta lungo un gradiente di concentrazione dall'aria negli alveoli al sangue. l'anidride carbonica si sposta lungo un gradiente di concentrazione dal sangue all'aria negli alveoli.
Qual è il ruolo dell'osmosi negli esseri umani
Qual è la funzione principale dell'osmosi? L'osmosi aiuta a stabilizzare l'ambiente interno dell'organismo bilanciando i livelli di acqua e fluidi intracellulari. Inoltre, i nutrienti e i minerali entrano nella cellula per osmosi, necessaria per la sopravvivenza delle cellule.