แบบจำลองชุดการหายใจระดับเซลล์
(Internal respiration simulator)

การหายใจระดับเซลล์เป็นกระบวนการเผาผลาญอาหารภายในเซลล์ เพื่อให้เกิดพลังงานเก็บไว้ในรูปของพลังงานเคมี ATP (adenosine triphosphate) ซึ่งถ้าเป็นกระบวนการหายใจแบบใช้ O 2 (Aerobic respiration) จะได้ ATP จำนวนมากมี CO2 และ H2O เป็น end product แต่ถ้าเป็นกระบวนการหายใจแบบไม่ใช้ O2 (Anaerobic respiration) จะได้ ATP จำนวนน้อย end product คือ C2H5OH (ethyl alcolhol และ CO2 ในเซลล์พืชและได้ C3H6O3 (lactic acid) ในเซลล์สัตว์

แบบจำลองชุดนี้มีจุดประสงค์เพื่อแสดงกระบวนการสร้างพลังงานของเซลล์สิ่งมีชีวิตทั้งแบบใช้และไม่ใช้ O2 โดยประกอบขึ้นจากวัสดุที่มีราคาถูกลักษณะอุปกรณ์เป็น 3 มิติ จำลองมาเพียง 1 เซลล์ แสดงเฉพาะส่วนของเซลล์ที่เกิดพลังงานคือไมโตคอนเดรีย (mitochondria) และไซโทพลาสซึม (cytoplasm) ใช้ดวงไฟแทนปริมาณพลังงานที่เกิดขึ้นจากกระบวนการมีวงจรไฟฟ้าควบคุมการปิด - เปิด โดยอัตโนมัติทั้งยังแสดง ให้เห็นถึงสารที่เข้าทำปฏิกิริยาและสารที่ได้รับจากกระบวนการ โดยใช้วัสดุทรงกลมแทนจำนวนโมเลกุลของ สารเหล่านั้น และ ให้สีแตกต่างกันแทนสารแต่ละชนิด นักเรียนสามารถใช้แบบจำลองนี้ศึกษากระบวนการหายใจระดับเซลล์ทั้งใช้และไม่ใช้ O2 ได้ทั้งพืชและสัตว์ ใช้ทดสอบความเข้าใจและทบทวนสมการของกระบวนการหายใจที่เกิดขึ้นได้ด้วยตนเอง นอกจากนี้ครูสามารถใช้แบบจำลองนี้เป็นสื่อในการเรียนการสอนวิชาชีววิทยาทั้งระดับมัธยมศึกษาตอนต้นและมัธยมศึกษาตอนปลาย

วัสดุอุปกรณ์

รายการ จำนวน
1. ท่อพลาสติกใส ศ.ก 4 cm ยาว 1 cm 1 ท่อ (ใหญ่)
2. ท่อพลาสติกใส ศ.ก 2.5 cm ยาว 1 cm 8 ท่อ (เล็ก)
3. ดวงไฟความต่างศักย์ 1.5 โวลต์ 6 ดวง
4. วัสดุทรงกลม ศ.ก 32 mm 2 ลูก (ใหญ่)
5. วัสดุทรงกลม ศ.ก 20 mm 24 ลูก (เล็ก)
6. สวิทซ์ 4 ตัว
7. สายไฟ 1.20 เมตร
8. กระดานไม้ขนาด 60 x 70 cm
-
9. กล่องสี่เหลี่ยมขนาด 25 x 35 x 10
-
10. สี (แตกต่างกัน) สีละ 1 หลอด

คำอธิบายแบบจำลอง

กล่องสี่เหลี่ยมจะใช้แทนเซลล์ของสิ่งมีชีวิต 1 เซลล์ ที่ยังมีชีวิตอยู่ภายในเซลล์แสดงเฉพาะส่วนที่สร้างพลังงานคือ Mitochondria และ Cyloplasm ใช้ดวงไฟแสดงพลังงานที่เกิดขึ้น ดวงไฟสว่าง 1 ดวงมีค่าเท่ากับ 1 ATP ในไมโตคอนเดรียแต่ละรูปจะติดดวงไฟ 7 ดวง หมายถึง เกิดพลังงาน 17 ATP ส่วนในไซโทพลาสซึมจะแสดงไว้ 4 ATP ด้านเหนือและใต้กล่องสี่เหลี่ยมบรรจุท่อพลาสติกใสด้านละ 2 ท่อ โดยด้านบนจะเป็นท่อขนาดใหญ่ 1 ท่อ ภายในท่อบรรจุวัสดุทรงกลม ซึ่งใช้แทนจำนวนโมเลกุลของสารที่ทำปฏิกิริยาและสารที่ได้รับจากกระบวนการโดยให้สีแตกต่างกันวัสดุทรงกลม 1 ลูกแทน 1 โมเลกุลในที่นี้กำหนดให้

วัสดุทรงกลมใหญ่ แทน C6H12O6 (glucose)
วัสดุทรงกลมเล็ก แทน - C2H5OH (ethyl alochol)
- C2H6OH (lactic acid)
- CO2
- H2O
- O2

วิธีใช้แบบจำลองอธิบาย

1. ก่อนอธิบายทุกครั้งจะเริ่มต้นด้วยการบรรจุวัสดุทรงกลมลงในท่อพลาสติกใส โดยมีรายละเอียดตามแผนภาพด้านล่างนี้

2. Aerobic respiration ในเซลล์พืชและสัตว์

เมื่อต้องการอธิบายการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ O2 ในเซลล์พืชและสัตว์ให้กดสวิทซ์ที่ 1 หรือ 2 หลอดไฟจะสว่างขึ้นทุกดวงทั้งใน Cytoplasm และ mitochondria แสดงให้เห็นว่าเกิดพลังงานขึ้น 38 ATP และวัสดุทรงกลมที่แสดง 1 โมเลกุลของ glucose และ 6 โมเลกุลของ O2 จะหล่นสู่ภายในกล่อง แสดง ให้เห็นว่าการหายใจระดับเซลล์แบบใช้ O2 นี้จะมี glucose เป็นสารตั้งต้นของกระบวนการ นอกจากนี้วัสดุทรงกลมที่แสดงถึง 6 โมเลกุลของ H2O และ 6 โมเลกุล CO2 ซึ่งอยู่ภายในกล่องจะหล่นออกสู่ภายนอก กล่อง แสดงถึง end product ที่ได้รับจากกระบวนการ สามารถอธิบายในรูปสามารถง่ายๆ ได้ว่า

C6H12O6 + 6O2 -----------------------> 6CO2 + 6H2O + 38ATP

แสดงเฉพาะปริมาณพลังงานที่เกิดขึ้นจากกระบวนการมิได้หักพลังงานที่ใช้ไปอีก 2 ATP ในการนำ NADH + H+ จาก cytoplasm ผ่านผนังของ mitochondria เข้าสู่กระบวนการ Electron transport

3. Anaerobic respiration ในเซลล์พืช

เมื่อต้องการอธิบายการหายใจระดับเซลล์แบบไม่ใช้ O2 ในเซลล์พืช ให้ตั้งต้นการใช้แบบจำลองจากข้อ (1) เสียก่อน โดยบรรจุวัสดุทรงกลมลงในท่อพลาสติกให้ ครบ จากนั้นกดสวิทซ์หมายเลข 3 ดวงไฟที่อยู่ใน cytoplasm จะสว่างขึ้น 4 หลอด แต่ดวงไฟที่อยู่ใน mitochondria จะดับ แสดงให้เห็นว่าเกิดพลังงานขึ้น 4 ATP ซึ่งเป็นพลังงานที่เกิดขึ้นใน cytoplasm เท่านั้น นอกจากนี้วัสดุทรงกลมที่แสดงถึง 1 โมเลกุลของ glucose จะหล่นสู่ภายในกล่องและวัสดุทรงกลมที่แสดงถึง 2 โมเลกุลของ C2H5OH และ 2 โมเลกุลของ CO2 จะหล่นสู่ภายนอกกล่องแสดงให้เห็น ว่าการหายใจระดับเซลล์แบบไม่ใช้ O2 ในเซลล์พืชนี้จะใช้ glucose เป็นสารตั้งต้นของกระบวนการเช่นกัน แต่ end product ที่ได้รับ คือ 2C2H 5OH (Elthyl aclohol) กัน 2CO2 ต่อ glucose 1 โมเลกุล กระบวนการนี้ไม่เกิด H2O พลังงานที่เกิดขึ้น 4 ATP แต่ละได้รับจริง 2 ATP เพราะถูกใช้ไป 2ATP จากกระบวนการ glycolysis การหายใจระดับเซลล์โดยไม่ใช้ O2 แสดงในรูปสมการอย่างง่ายๆ คือ

C6H12O6 -----------------------> 2CO2 + 2C2H5OH + 4ATP

4. Anaerobic respiration ในเซลล์สัตว์

เมื่อต้องการอธิบายการหายใจระดับเซลล์แบบไม่ใช้ O2 ในเซลล์สัตว์ให้ตั้งต้นการใช้แบบจำลองจากข้อ (1) ก่อนโดยบรรจุวัสดุทรงกลมลงในท่อพลาสติกใส จากนั้นกดสวิทซ์ หมายเลข 4 ดวงไฟที่แสดงอยู่ใน Cytoplas จะสว่างขึ้น 4 หลอด ส่วนดวงไฟใน Mitochondria จะดับ วัสดุทรงกลมที่แสดง 1 โมเลกุลของ glucose จะหล่นสู่ภายในกล่องและวัสดุทรงกลมที่แสดง 2 โมเลกุลของ lactic acid จะหล่นสู่ภายนอกกล่องแสดงให้เห็นว่าการ หายใจระดับเซลล์ในเซลล์สัตว์จะใช้ glucose เป็นสารตั้งต้นเช่นกันแต่ไม่ใช้ O2 ในปฏิกิริยาของกระบวนการ end product ที่ได้รับคือ lactic acid 2 โมเลกุล ต่อ glucose 1 โมเลกุล กระบวนการนี้ไม่เกิด CO2 และ H2O พลังงานที่เกิดขึ้น 4 ATP แต่ได้รับจริงเพียง 2 ATP ทั้งนี้เพราะถูกใช้ไป 2 ATP จากกระบวนการ glycolysis แสดงในรูปสมการอย่างง่ายๆ คือ

C6H12O6 -----------------------> 2C3H6O3 + 4ATP
เอื้อเฟื้อบทความจาก สสวท.