酵母菌細(xì)胞有氧呼吸裝置的設(shè)置

酵母菌細(xì)胞有氧呼吸裝置的設(shè)置

在生物學(xué)中，科學(xué)研究越來越受到重視。人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《生物必修1分子與細(xì)胞》中,就設(shè)計(jì)了“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)與教材知識緊密結(jié)合,且注重探究。學(xué)生需要設(shè)計(jì)和進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),然后分析有氧和無氧條件下酵母菌細(xì)胞呼吸的情況。教材還對實(shí)驗(yàn)提供了必要的參考案例和參考資料。但是在教學(xué)實(shí)踐中,筆者認(rèn)為有幾處問題值得探討,需要做進(jìn)一步說明和改進(jìn),使實(shí)驗(yàn)更加完善和嚴(yán)謹(jǐn)。探討1:酵母菌細(xì)胞培養(yǎng)的時(shí)間。按照教材中的要求,酵母菌細(xì)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(rèn)為是為了使酵母菌細(xì)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(rèn)為:這只是一方面,更主要的是為了酵母菌細(xì)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?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中,用重鉻酸鉀檢測酵母菌細(xì)胞無氧呼吸的產(chǎn)物酒精時(shí),其反應(yīng)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(jià)被還原為+3價(jià);實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為:橙色的重鉻酸鉀溶液變成灰綠色。而酵母菌細(xì)胞培養(yǎng)液,則采用質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng),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(jìn)行了實(shí)驗(yàn),證明了葡萄糖確實(shí)可以和酸性溶液中的重鉻酸鉀反應(yīng),反應(yīng)現(xiàn)象與酒精和酸性條件下的重鉻酸鉀反應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的判斷和結(jié)論的分析。因此要等酵母菌細(xì)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(diǎn),筆者認(rèn)為教材或者教參中應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。根據(jù)以上分析,筆者在實(shí)驗(yàn)中,增加了培養(yǎng)液中葡萄糖的檢測這一實(shí)驗(yàn)操作。按照教材要求,將實(shí)驗(yàn)分為A、B2組,A組為酵母菌細(xì)胞的有氧呼吸裝置,B組為酵母菌細(xì)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(xì)胞以后,分時(shí)用斐林試劑對培養(yǎng)液中的葡萄糖進(jìn)行了檢測,結(jié)果見表1:實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明,在以上實(shí)驗(yàn)條件下,培養(yǎng)液中的葡萄糖在酵母菌細(xì)胞開始培養(yǎng)5h以后被消耗完。通過以上分析認(rèn)為:當(dāng)用斐林試劑檢測不出培養(yǎng)液中的葡萄糖存在時(shí),就可以對酵母菌細(xì)胞呼吸是否產(chǎn)生酒精進(jìn)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(shí)驗(yàn)中,應(yīng)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(shí)驗(yàn)才更嚴(yán)謹(jǐn)。探討2:實(shí)驗(yàn)中酵母菌細(xì)胞有氧呼吸裝置的通氣時(shí)間。在教材中,檢測酵母菌細(xì)胞有氧呼吸產(chǎn)物——二氧化碳的產(chǎn)生,要將實(shí)驗(yàn)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(gè)錐形瓶約50min,然后將實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,結(jié)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(shí)驗(yàn)的預(yù)期,達(dá)不到實(shí)驗(yàn)的目的。這是為什么呢?分析認(rèn)為:“連通橡皮球或小氣泵,讓空氣間歇性地依次通過3個(gè)錐形瓶約50min”后,“將實(shí)驗(yàn)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(xì)胞就會在一定程度上進(jìn)行了無氧呼吸而產(chǎn)生了酒精。于是,做了進(jìn)一步探究:增加了1組對照實(shí)驗(yàn)A1,使用小氣泵讓空氣依次通過3個(gè)錐形瓶的時(shí)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(shí)驗(yàn)作對照,實(shí)驗(yàn)操作及結(jié)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(xì)胞的無氧呼吸,這樣酵母菌細(xì)胞就會一直進(jìn)行有氧呼吸,不會有酒精產(chǎn)生而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以建議探究酵母菌有氧呼吸產(chǎn)物時(shí)應(yīng)按照A1組來操作,即酵母菌細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)要連續(xù)通氣。探討3:探究酵母菌細(xì)胞無氧呼吸產(chǎn)物裝置排氣管的設(shè)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(diǎn)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(jìn)入錐形瓶內(nèi)使石灰水變渾濁,從而干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。即使從排氣管進(jìn)入錐形瓶內(nèi)的二氧化碳很少,對實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象干擾不是很明顯,但是作為一個(gè)探究實(shí)驗(yàn),這樣設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)。可以通過改進(jìn)裝置,避免出現(xiàn)這樣的問題。改進(jìn)的裝置如圖2:取消酵母菌細(xì)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(xì)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。或許有人提出這樣的疑問:去除排氣管后,會不會由于酵母菌細(xì)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(shí)這是不用擔(dān)心的,因?yàn)槎趸急皇宜辗磻?yīng)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(xì)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(shí),可能又有人提出疑問:既然酵母菌無氧呼吸裝置排氣管應(yīng)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)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