利用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)生物模型的能力
——以“細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型”一節(jié)為例

羅 玲

(江蘇省泗洪中學(xué) 223900)

生物學(xué)教學(xué)方法很多，而模型方法是很重要的一種。合理運(yùn)用生物科學(xué)史中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，探究模型建構(gòu)的過程，能有效提高學(xué)生的建模能力。本文以人教版必修1第4章第2節(jié)“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”一節(jié)為例，對(duì)科學(xué)史的材料進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇和組織，引導(dǎo)學(xué)生沿著科學(xué)家的邏輯思維路線，從提供的材料中去主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題，分析、推測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并通過模型呈現(xiàn)出來，最終完成生物膜流動(dòng)鑲嵌模型的建構(gòu)。

1 課前準(zhǔn)備：制作磷脂分子和蛋白質(zhì)分子平面模型

選用不同顏色硬紙片(也可以各種廢棄的包裝盒，涂上不同的顏色)，剪成如圖1所示磷脂分子(長約5 cm、寬約2 cm)和不同的蛋白質(zhì)分子(長約7 cm、寬約3～4 cm)的平面模型，且背面利用不干膠黏上磁鐵(長、寬均為3 mm)；不銹鐵的托盤或薄鐵片(長約40 cm、寬約30 cm)，一面貼一張白紙，且紙上一半畫上波浪線，畫波浪線目的是為學(xué)生創(chuàng)設(shè)水面和水中的情境，利于學(xué)生擺出水面及水中磷脂分子的排布。黏上磁鐵的磷脂分子模型和蛋白質(zhì)分子模型易于在不銹鐵的托盤中定型，也利于學(xué)生舉起展示。課堂教學(xué)時(shí)以小組為單位，每個(gè)小組一個(gè)托盤、約40個(gè)磷脂分子模型和10個(gè)左右蛋白質(zhì)分子模型，每小組6～8人為宜。

圖1 磷脂分子和蛋白質(zhì)分子

2 教學(xué)流程：沿著科學(xué)家探索生物膜路線

2.1 設(shè)疑激趣，導(dǎo)入新課 引導(dǎo)學(xué)生回顧已學(xué)的細(xì)胞膜的功能，知道細(xì)胞膜對(duì)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞具有選擇透過性。設(shè)問：這一層薄薄的細(xì)胞膜為什么能夠控制物質(zhì)的進(jìn)出？這與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系？ 引入新課。

2.2 探究細(xì)胞膜成分——磷脂分子和蛋白質(zhì)分子 展示資料1：1895年歐文頓用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞通透性進(jìn)行過上萬次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜對(duì)不同物質(zhì)的通透性存在差異：凡可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。

引導(dǎo)學(xué)生分析分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推出實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：膜是由脂質(zhì)構(gòu)成的。

啟發(fā)學(xué)生討論：歐文頓的這個(gè)結(jié)論，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的推理分析還是對(duì)膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定呢？是否要有進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證呢？

教師解釋：這種根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的推理分析得出結(jié)論，稱之為假說，既然是假說，要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，通過鑒定能更準(zhǔn)確地說明問題。

展示資料2：直至20世紀(jì)初，科學(xué)家第一次能將細(xì)胞膜從哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞中分離出來，放入能溶解脂質(zhì)的有機(jī)溶劑中(已知脂質(zhì)易溶于該有機(jī)溶劑),實(shí)驗(yàn)結(jié)果是細(xì)胞膜被溶解；用蛋白酶處理 (已知蛋白酶能專一性的催化蛋白質(zhì)的分解)，細(xì)胞膜被破壞。

引導(dǎo)學(xué)生演繹推理，得出結(jié)論：膜的主要成分是磷脂和蛋白質(zhì)。

2.3 構(gòu)建細(xì)胞膜的基本骨架：磷脂雙分子層 設(shè)疑激思：膜的主要成分是脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，脂質(zhì)中主要是磷脂，磷脂在細(xì)胞膜中含量豐富，那么磷脂是怎樣參與到細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)建呢？

出示資料3：磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸和磷酸所組成的分子，既有疏水基團(tuán)(尾部)，又有親水基團(tuán)(頭部)。1917年歐文·朗繆爾將磷脂溶于苯，將苯脂溶液置于水面，當(dāng)苯揮發(fā)完以后，磷脂分子分布散亂，經(jīng)過推擠，磷脂分子排成了單層。

分組討論，每個(gè)小組都有一張紙，有波浪線的代表水，無波浪線的代表空氣，利用手中的磷脂分子模型擺出磷脂分子在水面上的分布情況。

小組代表上黑板演示，親水的頭部與水結(jié)合，解釋磷脂分子親水的頭部與水接觸在水面形成了脂單層(圖2)。讓學(xué)生理解磷脂分子的“頭”“尾”性質(zhì)，為后面磷脂分子在水中的排布做鋪墊。

圖2 磷脂分子的“頭”“尾”排布

教師創(chuàng)設(shè)情境：假如用一玻璃棒輕輕攪動(dòng)液面，許多磷脂分子進(jìn)入水中，結(jié)果是水中的磷脂分子形成了一個(gè)個(gè)小球體，每組利用手中的磷脂分子模型擺出磷脂分子在水中形成小球體的剖面圖。各個(gè)小組在排布時(shí)特別需要注意的一個(gè)前提(水盤有水)，同時(shí)思考：為什么這樣排布？球體內(nèi)是否可以有水的存在？球體外是否可以有水的存在？還有沒有其他情況？

學(xué)生1上黑板演示單層磷脂形成的小球體(圖3)，親水的頭部向外，其球體內(nèi)沒有水的存在；球體外可以有水的存在；學(xué)生2演示雙層磷脂形成的小球體(圖4)，磷脂的非極性端朝向膜內(nèi)側(cè)，極性端朝向膜外兩側(cè)，解釋球體內(nèi)外都可以有水的存在。

圖3 學(xué)生1演示

圖4 學(xué)生2演示

啟發(fā)學(xué)生討論、推測：生物膜最可能是由磷單層脂分子構(gòu)成還是由兩層磷脂分子的？ 為什么？依據(jù)細(xì)胞內(nèi)外都是液體環(huán)境，得出生物膜最可能是由雙層磷脂分子構(gòu)成。

展示資料4：1925年，荷蘭科學(xué)家戈特和格倫德分離純化了紅細(xì)胞，從一定數(shù)量的紅細(xì)胞中抽提脂類，按朗繆爾(Langmuir)的方法進(jìn)行展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的總面積，發(fā)現(xiàn)提取的脂鋪展后所測的面積同實(shí)際測量的紅細(xì)胞的表面積之比為(1.8～2.2)∶1，約為2倍。

引導(dǎo)學(xué)生討論得出結(jié)論：細(xì)胞膜中得脂質(zhì)分子必然排列為連續(xù)的兩層。

2.4 探究細(xì)胞膜的磷脂分子和蛋白質(zhì)分子組合方式 設(shè)疑激思：膜中除了磷脂以外，還有蛋白質(zhì)，那蛋白質(zhì)位于細(xì)胞膜的什么位置呢？?引導(dǎo)學(xué)生思考膜中蛋白質(zhì)的排布情況。

展示材料5：1959年，J. D. Robertson用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗—明—暗3層結(jié)構(gòu)，厚約7.5 nm，它由厚約3.5 nm的雙層脂質(zhì)分子和內(nèi)外表面各為厚約2 nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成，由此提出單位膜模型學(xué)說。

教師提供電鏡成像原理：電子束照射大分子物質(zhì)散射度高，黑暗；照射小分子物質(zhì)，散射度低，光亮。依據(jù)電鏡成像原理，學(xué)生構(gòu)建出單位膜模型(圖5)。

圖5 單位膜模型

引導(dǎo)學(xué)生分析討論三明治模型有哪些不足之處？有什么證據(jù)證明細(xì)胞膜中的物質(zhì)不是靜態(tài)的呢？(舉例子反駁)。

學(xué)生分析討論得出：所有的生物膜具有相同的統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)均分布在膜的兩側(cè)，生物膜是靜止的剛性結(jié)構(gòu)。舉例：變形蟲的變形運(yùn)動(dòng)、白細(xì)胞吞噬病原體、細(xì)胞分裂、精子與卵子結(jié)合、植物細(xì)胞質(zhì)壁分離與復(fù)原實(shí)驗(yàn)。

展示材料6：隨著新的技術(shù)手段不斷運(yùn)用于生物膜的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)并不是全部平鋪在磷脂的表面，有的蛋白質(zhì)鑲嵌或橫跨于磷脂雙分子層中。

引導(dǎo)學(xué)生分析資料得出：磷脂雙分子層中蛋白質(zhì)的排布不均勻。引導(dǎo)學(xué)生大膽想象膜中蛋白質(zhì)的可能的排布情況。

展示材料7：1970年，Larry Frye等將人和鼠的細(xì)胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后，讓兩種細(xì)胞融合，雜種細(xì)胞一半發(fā)紅色熒光；另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。

引導(dǎo)學(xué)生分析得出：生物膜具有一定的流動(dòng)性。

展示材料8：在繼承前人的推論基礎(chǔ)上，結(jié)合新的觀察和實(shí)驗(yàn)證據(jù)，又有科學(xué)家提出一些關(guān)于生物膜的分子結(jié)構(gòu)模型的假說。其中1972年桑格(S. J. Singer)和尼克森(G. Nicolson)提出的流動(dòng)鑲嵌模型為大多數(shù)人所接受。

2.5 掌握生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型基本內(nèi)容 通過前面學(xué)習(xí)，學(xué)生基本了解了流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容，課件展示流動(dòng)鑲嵌模型的動(dòng)畫圖，引導(dǎo)學(xué)生從生物膜的組成、基本骨架、蛋白質(zhì)分子的排布特點(diǎn)及膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面歸納：生物膜的主要組分是脂質(zhì)、蛋白質(zhì)，還有少量糖類；膜的基本支架是磷脂雙分子層；膜中的蛋白質(zhì)分子以不同形式分布于磷脂雙分子層中，多糖與外側(cè)蛋白質(zhì)或脂質(zhì)結(jié)合為糖被或糖脂；膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有一定的流動(dòng)性。