酵母菌細胞有氧呼吸裝置的設置

酵母菌細胞有氧呼吸裝置的設置

在生物學中，科學研究越來越受到重視。人教版普通高中課程標準實驗教科書《生物必修1分子與細胞》中,就設計了“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗,該實驗與教材知識緊密結合,且注重探究。學生需要設計和進行對比實驗,然后分析有氧和無氧條件下酵母菌細胞呼吸的情況。教材還對實驗提供了必要的參考案例和參考資料。但是在教學實踐中,筆者認為有幾處問題值得探討,需要做進一步說明和改進,使實驗更加完善和嚴謹。探討1:酵母菌細胞培養(yǎng)的時間。按照教材中的要求,酵母菌細胞要在25~35℃的環(huán)境中培養(yǎng)8~10h。這里為什么要培養(yǎng)8~10h呢?有人可能認為是為了使酵母菌細胞無氧呼吸能夠產(chǎn)生足夠的酒精,以使檢測現(xiàn)象更明顯。筆者分析認為:這只是一方面,更主要的是為了酵母菌細胞能夠消耗完培養(yǎng)液中的葡萄糖。為什么要消耗完培養(yǎng)液中的葡萄糖呢?因為在實驗中,用重鉻酸鉀檢測酵母菌細胞無氧呼吸的產(chǎn)物酒精時,其反應原理是:在酸性條件下重鉻酸鉀被酒精還原,重鉻酸鉀中的鉻由+6價被還原為+3價;實驗現(xiàn)象為:橙色的重鉻酸鉀溶液變成灰綠色。而酵母菌細胞培養(yǎng)液,則采用質(zhì)量分數(shù)為5%的葡萄糖溶液。葡萄糖是還原性糖,且還原性比酒精還要強,因此在酸性條件下重鉻酸鉀也可以被葡萄糖還原。筆者也進行了實驗,證明了葡萄糖確實可以和酸性溶液中的重鉻酸鉀反應,反應現(xiàn)象與酒精和酸性條件下的重鉻酸鉀反應現(xiàn)象一樣,均為橙色的重鉻酸鉀溶液變成灰綠色。由此可見,葡萄糖的存在會干擾對實驗結果的判斷和結論的分析。因此要等酵母菌細胞消耗完培養(yǎng)液中的葡萄糖以后,再用酸性條件下的重鉻酸鉀溶液來檢測其中是否有酒精產(chǎn)生。這一點,筆者認為教材或者教參中應該說明一下。怎樣確定培養(yǎng)液中葡萄糖是否被消耗完了呢?可以根據(jù)“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”的實驗原理,用斐林試劑來檢測培養(yǎng)液中是否還含有葡萄糖。如果用斐林試劑檢測不出培養(yǎng)液中的葡萄糖,就可以排除葡萄糖對實驗結果的影響。根據(jù)以上分析,筆者在實驗中,增加了培養(yǎng)液中葡萄糖的檢測這一實驗操作。按照教材要求,將實驗分為A、B2組,A組為酵母菌細胞的有氧呼吸裝置,B組為酵母菌細胞的無氧呼吸裝置,培養(yǎng)液均為5%的葡萄糖溶液240mL,酵母菌為市場上所售的安琪牌高活性干酵母,用量每組10g,培養(yǎng)條件為室溫(約27℃)。開始培養(yǎng)酵母菌細胞以后,分時用斐林試劑對培養(yǎng)液中的葡萄糖進行了檢測,結果見表1:實驗現(xiàn)象說明,在以上實驗條件下,培養(yǎng)液中的葡萄糖在酵母菌細胞開始培養(yǎng)5h以后被消耗完。通過以上分析認為:當用斐林試劑檢測不出培養(yǎng)液中的葡萄糖存在時,就可以對酵母菌細胞呼吸是否產(chǎn)生酒精進行檢測,而不一定必須照教材中所要求的培養(yǎng)8~10h。而且在具體的實驗中,應該增加檢測培養(yǎng)液中是否還有葡萄糖這一操作,如果檢測不出葡萄糖,然后再用酸性重鉻酸鉀檢測其中是否有酒精,這樣實驗才更嚴謹。探討2:實驗中酵母菌細胞有氧呼吸裝置的通氣時間。在教材中,檢測酵母菌細胞有氧呼吸產(chǎn)物——二氧化碳的產(chǎn)生,要將實驗裝置組裝好以后,“連通橡皮球或小氣泵,讓空氣間歇性地依次通過3個錐形瓶約50min,然后將實驗裝置放到25~35℃的環(huán)境中培養(yǎng)8~10h”。按照教材上所敘述的進行實驗操作,結果在酵母菌有氧呼吸的裝置中也會檢測出酒精。這樣就不符合實驗的預期,達不到實驗的目的。這是為什么呢?分析認為:“連通橡皮球或小氣泵,讓空氣間歇性地依次通過3個錐形瓶約50min”后,“將實驗裝置放到25~35℃的環(huán)境中培養(yǎng)8~10h”的過程中,由于培養(yǎng)液失去了充足的氧氣來源,酵母菌細胞就會在一定程度上進行了無氧呼吸而產(chǎn)生了酒精。于是,做了進一步探究:增加了1組對照實驗A1,使用小氣泵讓空氣依次通過3個錐形瓶的時間延長,直至培養(yǎng)液中的葡萄糖消耗完,并與教材上的2組實驗作對照,實驗操作及結果見表2:由此可見,A1組中連續(xù)向裝置中通氣,氧氣抑制了酵母菌細胞的無氧呼吸,這樣酵母菌細胞就會一直進行有氧呼吸,不會有酒精產(chǎn)生而影響實驗結果。所以建議探究酵母菌有氧呼吸產(chǎn)物時應按照A1組來操作,即酵母菌細胞培養(yǎng)時要連續(xù)通氣。探討3:探究酵母菌細胞無氧呼吸產(chǎn)物裝置排氣管的設置。教材中探究酵母菌無氧呼吸產(chǎn)物的裝置如圖1。針對此裝置,提出一點疑問:盛有石灰水的錐形瓶為什么留有排氣管與外界連通?為什么要提出這一疑問呢?考慮到此裝置與外界連通,隨著裝置內(nèi)二氧化碳被石灰水吸收,裝置內(nèi)的氣壓就會降低,這樣外界含有二氧化碳的空氣就會從排氣管中進入錐形瓶內(nèi)使石灰水變渾濁,從而干擾實驗現(xiàn)象。即使從排氣管進入錐形瓶內(nèi)的二氧化碳很少,對實驗的現(xiàn)象干擾不是很明顯,但是作為一個探究實驗,這樣設計不嚴謹?？梢酝ㄟ^改進裝置,避免出現(xiàn)這樣的問題。改進的裝置如圖2:取消酵母菌細胞無氧呼吸裝置的排氣管,盛有石灰水的錐形瓶只和培養(yǎng)酵母菌細胞的錐形瓶相連。這樣使澄清石灰水變渾濁的二氧化碳就只來自于培養(yǎng)酵母菌的錐形瓶?；蛟S有人提出這樣的疑問:去除排氣管后,會不會由于酵母菌細胞不斷產(chǎn)生二氧化碳而使無氧呼吸裝置中氣壓增大,以至于二氧化碳無法排入石灰水?其實這是不用擔心的,因為二氧化碳被石灰水吸收反應后變?yōu)樘妓徕}沉淀而不是氣體,所以裝置中不會由于二氧化碳的產(chǎn)生而氣壓增大。在此情況下,若酵母菌細胞呼吸排放二氧化碳,二氧化碳就可以源源不斷的排入澄清石灰水而使其變渾濁。此時,可能又有人提出疑問:既然酵母菌無氧呼吸裝置排氣管應該取消,那么有氧呼吸裝置的排氣管是不是也該取消呢?回答是:不能取消。因為實驗中需要一直向有氧呼吸裝置中充氣,所以此裝置必須要留有排氣管。而且在此情況下不會造成外界的二氧化碳倒流入裝置中的現(xiàn)象?？傊?通過