Percobaan Sains : Difusi Sel Pada Agar

Tujuan
Menggunakan agar yang berbentuk kubus untuk mengetahui bagaimana ukuran dampak difusi.

Pendahuluan

Semua sel biologis memerlukan pengangkutan material melintasi membran plasma masuk dan keluar dari sel. Dengan menanamkan kubus agar-agar dengan indikator pH, dan kemudian merendam kubus yang diolah dengan cuka, kita bisa memodelkan bagaimana difusi terjadi di dalam sel. Kemudian, dengan mengamati kubus dengan ukuran berbeda, kita dapat menemukan mengapa sel yang lebih besar memerlukan bantuan ekstra untuk mengangkut bahan.

Alat dan Bahan

Agar-agar bubuk
Timbang Skala digital
Pipet plastik
Air
Pengocok atau Garpu
Mangkuk microwave atau wadah minimal volume 500 ml 

Microwave (tidak diperlihatkan)
Bantalan panas atau sarung oven
Permukaan pengaman panas
Indikator pH, seperti bromotymol biru atau fenolftalein
Amonia
Kaca kecil baking pan atau kubus berbentuk silikon es-kubus cetakan 

Pengukur metrik plastik bening 

Pisau tajam
Wadah bening untuk membenamkan agar-agar
Cuka
Kalkulator
Pensil dan notepaper
Sendok
Kertas putih atau piring
Timer

Membuat Kubus Agar agar

1. Ukur sebanyak 1,6 gram agar-agar dan 200 ml air. Campur bersama dengan kocokan atau garpu dalam mangkuk besar microwave.

2. Panaskan larutan di microwave dengan panas tinggi selama 30 detik. Angkat ke permukaan yang dengan menggunakan sarung panas atau sarung tangan oven, aduk, dan kembalikan ke microwave selama 30 detik. Ulangi proses ini sampai campuran mendidih. (kita harus selalu mengawasinya karena larutan agar bisa mendidih dengan sangat mudah) Setelah selesai, keluarkan wadahnya, dan taruh di atas cetakan atau permukaan yang aman-panas panas lainnya.  

3. Pilih satu indikor pH untuk bekerja dengan (baik bromotymol biru atau fenolftalein) dan tambahkan beberapa tetesnya ke larutan agar. Jika kita menggunakan bromotymol biru, cukup tambahkan indikator sehingga campuran berubah menjadi biru. Jika memiliki rona kehijauan, tambahkan amonia setetes pada satu waktu sampai berwarna biru (lihat foto di bawah). 

Jika kita menggunakan fenolftalein, cukup tambahkan indikator sehingga campuran berubah merah muda mudah. Tambahkan ammonia tetes demi setetes sampai adonan berubah (dan tetap) berwarna pink cerah (lihat foto di bawah). 

4. Tuangkan dengan hati-hati larutan agar-agar ke dalam cetakan es kubus atau gelas kecil. Pastikan blok agar paling tidak sedalam 3 cm saat dipadatkan. Jika kita tidak memiliki cukup larutan, buatlah lebih banyak dengan menggunakan 0,8 g bubuk agar-agar sampai 100 ml air.

5. Biarkan agar dingin sampai mengeras (satu jam biasanya cukup). Ambil blok agar-agar dari cetakan atau potong dalam panci dengan pisau tajam untuk mendapatkan dua set kubus dengan tiga ukuran: 1 x 1 x 1 cm, 2 x 2 x 2 cm, dan 3 x 3 x 3 cm.  

Jika kita menggunakan bromotymol biru, kita harus memiliki dua set kubus biru. Jika kita menggunakan fenolftalein, kita harus memiliki dua set kubus merah muda.  

Set harus cocok untuk membandingkan perubahan warna 

Cara Percobaan
1. Tempatkan beberapa millileter indikator pH ke dalam wadah kecil (bromothymol biru atau phenolphthalein). Dengan menggunakan penetes, tambahkan beberapa tetes cuka. Apa yang kita lihat?

2. Sebagai asam, cuka memiliki sejumlah besar ion hidrogen. Bila ion hidrogen bersentuhan dengan indikator pH, larutan akan berubah warna.

3. Isi wadah bening dengan cuka sampai kedalaman 3 cm. Tempatkan satu kubus agar setiap ukuran di dalam cuka, pastikan baloknya terendam. Balok yang tidak perlakukan (satu dari setiap ukuran) akan digunakan untuk perbandingan. Kira-kira apa yang akan terjadi pada setiap kubus?

 4.Tentukan luas permukaan dan volume masing-masing kubus. Untuk mencari luas permukaan, kalikan panjang sisi kubus dengan lebar sisi kubus. Ini akan memberi kita area dari satu sisi permukaan kubus. Kalikan angka ini dengan 6 (jumlah permukaan di atas sebuah kubus) untuk menentukan luas permukaan total. Untuk menemukan volumenya, kalikan panjang kubus dengan lebarnya dengan tinggi badannya. Kemudian tentukan rasio permukaan area volume dengan membagi luas permukaan menurut volume untuk setiap kubus.

5. Bagaimana kita tahu jika ion hidrogen bergerak ke dalam kubus? kira-kira berapa lama waktu yang dibutuhkan ion hidrogen untuk berdifusi sepenuhnya ke masing-masing kubus? Mengapa? Bagaimana kita bisa tahu kapan cuka telah menembus kubus sepenuhnya?

6. Setelah 5 menit, ambil kubus dari cuka dengan sendok plastik, lalu letakkan di atas kertas putih atau di atas piring putih. Bandingkan kubus yang perlakukan dengan kubus yang tidak perlakukan dan amati setiap perubahan warna. 

7. Berapa banyak cuka yang telah diserap oleh masing-masing kubus yang diberi perlakuan? Salah satu cara untuk mengukur ini adalah dengan menghitung persentase volume kubus yang telah ditembus oleh cuka. ( Mungkin lebih mudah untuk terlebih dahulu mempertimbangkan volume yang belum ditembus oleh cuka - bagian yang belum berubah warna). 

 8. Dengan hati-hati kembalikan semua kubus yang diolah ke cuka. Lanjutkan memeriksa kubus yang direndam cuka setiap 5 menit dengan membuangnya untuk menentukan persentase kubus yang telah ditembus oleh cuka. Lanjutkan proses ini sampai cuka telah menembus kubus. Catat waktu saat ini terjadi.

9. Apa yang bisa kita perhatikan tentang persentase daya tembus masing-masing kubus pada interval waktu yang berbeda? Hubungan apa yang kita perhatikan antara luas permukaan, volume, rasio permukaan-area-ke-volume, dan persentase penembusan? mengapa difusi menyebabkan objek menjadi lebih besar?

Pembahasan
Sel biologis hanya bisa bertahan jika bahan bisa masuk dan keluar dari dalamnya. Dalam percobaan ini, kita menggunakan kubus agar untuk memvisualisasikan bagaimana perubahan difusi tergantung pada ukuran objek yang mengambil bahannya.

Difusi terjadi ketika molekul di daerah dengan konsentrasi lebih tinggi bergerak ke area dengan konsentrasi rendah. Sebagai ion hidrogen dari cuka pindah ke kubus agar-agar, perubahan warna kubus memungkinkan kita untuk melihat seberapa jauh mereka telah menyebar. Sementara gerak molekul acak akan menyebabkan molekul dan ion individual terus bergerak bolak-balik antara kubus dan larutan cuka, konsentrasi keseluruhan akan tetap berada dalam kesetimbangan, dengan konsentrasi yang sama di dalam dan di luar kubus agar-agar. 

Bagaimana kita menemukan persentase kubus yang ditembus oleh ion hidrogen pada berbagai interval waktu? Salah satu cara untuk melakukannya adalah dengan memulai dengan volume kubus yang belum pernah ditembus, dengan kata lain, bagian di tengahnya belum berubah warna. Untuk menentukan volume bagian dalam kubus ini, ukur panjang kubus bagian dalam ini dan kalikan dengan lebar dan tinggi. Kurangi ini dari volume asli kubus dan kita mendapatkan volume kubus yang telah ditembus. Dengan membagi angka ini dengan volume asli dan mengalikan 100%, kita bisa menentukan persentase penetrasi masing-masing kubus. 

Kita mungkin telah memperhatikan bahwa semakin besar kubus yang direndam cuka, waktu yang dibutuhkan untuk cuka tambahan untuk berdifusi ke dalam kubus juga meningkat - tapi tidak secara linier. Dengan kata lain, jika dimensi kubus berlipat ganda, waktu yang dibutuhkan ion hidrogen untuk benar-benar menyebar lebih dari dua kali lipat. Bila tiga ukuran, waktu akan lebih dari tiga kali lipat. Mengapa ini terjadi?

Seiring bertambahnya ukuran sebuah benda, volumenya juga meningkat, tapi lebih dari yang kitaa bayangkan. Misalnya, ketika kubus berlipat ganda dari panjang 1 cm sampai 2 cm, luas permukaan meningkat dengan faktor empat, naik dari 6 cm² (1 cm x 1 cm x 6 sisi) menjadi 24 cm² (2 cm x 2 cm x 6 sisi). Volume, meskipun, meningkat dengan faktor delapan, meningkat dari 1 cm³ (1cm x 1 cm x 1 cm) menjadi 8 cm³(2 cm x 2 cm x 2 cm).

 Karena volumenya meningkat pada faktor yang lebih besar daripada luas permukaan, rasio permukaan-area terhadap volume menurun. Seiring bertambahnya ukuran kubus, rasio permukaan-area-ke-volume menurun. Cuka hanya bisa masuk ke kubus melalui permukaannya, sehingga rasio tersebut berkurang, waktu yang dibutuhkan untuk difusi terjadi sepanjang keseluruhan volume meningkat secara signifikan.

Apa pun yang masuk ke dalam sel (seperti oksigen dan makanan) atau keluar dari sana (seperti limbah) harus melintasi membran sel. Seiring sel tumbuh lebih besar, rasio luas permukaan terhadap volume menurun secara dramatis, seperti pada kubus agar. Sel yang lebih besar masih harus mengangkut material melintasi membran mereka, namun memiliki volume yang lebih besar untuk memasok dan area permukaan yang secara perbandingan lebih kecil untuk melakukannya. 

Sel bakteri cukup kecil dan memiliki rasio permukaan area ke volume yang relatif lebih besar. Sel eukariotik, seperti tumbuhan dan hewan, jauh lebih besar, namun memiliki struktur tambahan untuk membantu mereka melakukan jumlah transportasi di selaput. Serangkaian struktur terikat membran yang terus-menerus dengan membran plasma, seperti retikulum endoplasma, memberikan area permukaan tambahan di dalam sel, memungkinkan terjadinya pengangkutan yang cukup. Bahkan dengan strategi ini, ada batas atas ukuran sel.