用血糖儀法改進(jìn)“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)

胡桂平 余 芳 潘 陽(yáng)

(江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 南昌 330022)

測(cè)量是一項(xiàng)科學(xué)研究過(guò)程的重要技能。高中生物學(xué)教材中都充分體現(xiàn)科學(xué)探究的思想。但從目前教材的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置來(lái)看，大多數(shù)是以定性為主，定量探究性實(shí)驗(yàn)較少。基于學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計(jì)以提高學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的思路，本文采用血糖儀法，進(jìn)行“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)基本分析及相關(guān)改進(jìn)

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是高中生物學(xué)教材中經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)在知識(shí)方面要求達(dá)到理解水平，能力方面要能設(shè)計(jì)和實(shí)施探究酵母菌的呼吸方式實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討酵母菌在有氧和無(wú)氧條件下選擇不同的細(xì)胞呼吸方式以及反應(yīng)產(chǎn)物的差異。

人教版教材中對(duì)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了典型的科學(xué)探究思路，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的參考資料可操作性較強(qiáng)。特別是對(duì)CO2和酒精的定性檢測(cè)，更體現(xiàn)探究的科學(xué)性。但是，在實(shí)踐中也存在著一些困難： 如耗時(shí)較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中有氧與無(wú)氧難以把握，實(shí)驗(yàn)器材多而且較大，藥品用量較多等。為此，有許多教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)： ①葉麗培[1]、方金艷[2]等通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行課前活化酵母菌、澄清石灰水檢驗(yàn)CO2和酒精鑒定實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定等方面的改進(jìn)；②謝明桂[3]則通過(guò)使用注射器嚴(yán)格控制氧氣有無(wú)和對(duì)酵母菌進(jìn)行提前活化，從而有效地縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，達(dá)到減量、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)隨堂化的目的。但是，學(xué)生還是缺乏對(duì)細(xì)胞呼吸原理的深刻認(rèn)識(shí)。③鄧金霞等[4]運(yùn)用綜合理科的方法，將生物學(xué)中的細(xì)胞呼吸、化學(xué)中的原電池及物理中的電學(xué)等知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單可行的檢測(cè)細(xì)胞呼吸的“沉積物電池組”，進(jìn)而幫助學(xué)生更深刻地理解細(xì)胞呼吸原理及其應(yīng)用。但從科學(xué)探究的角度來(lái)看，缺少科學(xué)定量探究的成分。④俞如旺等[5]利用分光光度計(jì)測(cè)定OD值來(lái)分別檢測(cè)有氧呼吸和無(wú)氧呼吸所產(chǎn)生CO2的量，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)探究從定性到定量化的轉(zhuǎn)變。但是，分光光度計(jì)價(jià)格較貴，操作也比較復(fù)雜。

2 對(duì)該實(shí)驗(yàn)定量探究的改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的原理 酵母菌是一種兼性厭氧菌，可進(jìn)行有氧、無(wú)氧兩種細(xì)胞呼吸方式。通過(guò)測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)酵母菌分解反應(yīng)物葡萄糖的量，可以分別計(jì)算出酵母菌在有氧或無(wú)氧條件下進(jìn)行細(xì)胞呼吸的速率。

血糖儀(GA-3型)的工作原理屬于電化學(xué)法，葡萄糖濃度測(cè)試范圍為1.1mmol/L～33.3mmol/L，測(cè)量誤差在±20%之內(nèi)。因此，能較精確地測(cè)量酵母菌培養(yǎng)液中葡萄糖的濃度值，通過(guò)檢測(cè)反應(yīng)物葡萄糖的濃度變化，可計(jì)算出該反應(yīng)條件下有氧或無(wú)氧呼吸的速率。

2.2 實(shí)驗(yàn)用品的選擇 ①實(shí)驗(yàn)材料： 安琪高活性干酵母、無(wú)水葡萄糖；②實(shí)驗(yàn)用具： 血糖儀(GA-3型)、血糖儀試紙條、10mL注射器若干支、試管、試管架、軟橡膠塞、水浴鍋、膠頭滴管、燒杯、標(biāo)簽紙、玻璃棒、電子天平(稱量紙)。

2.3 實(shí)驗(yàn)的定量探究 ①制備酵母菌液： 配制10%葡萄糖溶液100mL；將其置于35℃水浴鍋中進(jìn)行預(yù)熱；秤取10g干酵母，加入預(yù)熱的葡萄糖溶液，混勻，活化4～7min。②測(cè)定初始葡萄糖濃度： 活化液用蒸餾水稀釋10倍；血糖儀測(cè)定葡萄糖濃度值。③有氧、無(wú)氧分組實(shí)驗(yàn)： 分別用3支注射器抽取5mL活化酵母的葡萄糖液，將針頭插入橡膠塞進(jìn)行密封(無(wú)氧呼吸組)；同時(shí)，分別用注射器吸取等量(5mL)的活化酵母葡萄糖液注入3支編號(hào)的試管中(有氧呼吸組)；將上述注射器與試管同時(shí)放置于35℃水浴鍋，水浴加熱，并記錄時(shí)間。注意及時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)裝置，排放注射器內(nèi)產(chǎn)生的氣體，防止活塞噴射出。有氧組需要震蕩試管，使得空氣與酵母菌液充分接觸。還應(yīng)注意安全使用注射器、提高操作速度與小組默契配合度。④葡萄糖濃度測(cè)定： 操作方法同初始葡萄糖濃度的測(cè)定，記錄數(shù)據(jù)(表1)。

表1 酵母菌不同細(xì)胞呼吸方式下的葡萄糖濃度值

(條件： 35℃下，1g干酵母/10mL葡萄糖溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%葡萄糖)

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求平均值得到表1數(shù)據(jù)；再分別計(jì)算有氧呼吸、無(wú)氧呼吸的反應(yīng)速率，得到表2。

表2 酵母菌不同細(xì)胞呼吸方式下分解葡萄糖的反應(yīng)速率

(條件： 35℃下，1g干酵母/10mL葡萄糖溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%葡萄糖)

其中，有氧或無(wú)氧呼吸的反應(yīng)速率計(jì)算公式如下： 0～15min呼吸速率(有氧/無(wú)氧)=(初始濃度值-有氧/無(wú)氧1濃度值)/15；16～30min呼吸速率(有氧/無(wú)氧)=(有氧/無(wú)氧1濃度值-有氧/無(wú)氧2濃度值)/15。

依據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)： 相同時(shí)間段(等時(shí))，有氧呼吸的葡萄糖消耗速率大于無(wú)氧呼吸的葡萄糖消耗速率；無(wú)論是有氧呼吸還是無(wú)氧呼吸，16～30min時(shí)段細(xì)胞呼吸消耗的葡萄糖速率要大于0～15min時(shí)間段的速率。

由此可以說(shuō)明，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，酵母菌進(jìn)行有氧呼吸時(shí)消耗的葡萄糖比無(wú)氧呼吸的要多，即酵母菌細(xì)胞的有氧呼吸強(qiáng)度大于無(wú)氧呼吸的強(qiáng)度；在適宜的條件下，無(wú)論是有氧還是無(wú)氧呼吸，酵母菌細(xì)胞的初期代謝速率都會(huì)一定程度地增加，這更進(jìn)一步說(shuō)明酵母菌為什么要活化的原因。

3 思考與討論

血糖儀測(cè)定葡萄糖含量的原理是葡萄糖與含有葡糖糖酶和氰鐵化物的試紙接觸后產(chǎn)生一個(gè)小電流，電流通過(guò)血糖儀測(cè)定，并顯示相應(yīng)數(shù)值。因此，血糖儀檢測(cè)血糖具有快速簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單、樣品用量少的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)研究表明，血糖儀法與辣根過(guò)氧化物酶法、大豆種皮過(guò)氧化物酶法等方法測(cè)得的血糖值無(wú)顯著差異[6]。近年來(lái)，也有專家使用血糖儀法，對(duì)不同酒質(zhì)、不同米質(zhì)、不同禽蛋中和不同豆類中的葡萄糖含量測(cè)定。因此，使用血糖儀法進(jìn)行“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”的定量探究實(shí)驗(yàn)改進(jìn)是科學(xué)、合理的。

但是，根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階的設(shè)計(jì)原則，教師在開展“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，應(yīng)該注意學(xué)生的能力基礎(chǔ)和探究的層次性，將課堂討論探究與課后實(shí)踐拓展有機(jī)結(jié)合[7]，做到定性檢測(cè)與定量探究協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。