探究酵母菌細胞呼吸的經(jīng)典實驗

郭愛平 （對外經(jīng)濟貿(mào)易大學附屬中學 北京 100102）

1 問題的提出

人教版教材高中生物學選修1中提到：酒精發(fā)酵屬于厭氧發(fā)酵，在缺氧、呈酸性的發(fā)酵液中酵母菌可以生長繁殖，而絕大多數(shù)微生物都因無法適應這一環(huán)境而受到抑制［1］。飲酒過多會傷害人體，植物無氧呼吸積累酒精也會導致腐爛，酵母菌產(chǎn)生的酒精會對自身造成危害嗎？酵母菌對酒精的耐受能力有多強？目前市場上出售的白酒、紅酒等飲品中是否還存在活的酵母菌？在學習選修1時，學生對這些問題很感興趣，于是筆者指導學生設計實驗進行探究，在實踐中引導學生主動參與探究過程、逐步培養(yǎng)搜集和處理科學信息的能力、批判性思維的能力及分析和解決問題的能力［2］。

2 失敗的嘗試

在筆者的建議下，學生選擇了習題中常見的“探究酵母菌細胞呼吸的經(jīng)典裝置”（圖1），并假設“酒精濃度對酵母菌的無氧呼吸有影響，且濃度越高越不利于酵母菌的生存”。實驗設計方案如下。

圖1

實驗目的：探究酵母菌對酒精的耐受性。

實驗原理：酵母菌有氧呼吸消耗的氧氣與產(chǎn)生的二氧化碳的體積相同，無氧呼吸不消耗氧氣但會產(chǎn)生二氧化碳。因而圖1裝置中氣球的體積會因酵母菌的無氧呼吸而變大，進而導致燒杯中液面上升。可根據(jù)單位時間液面上升的高度反映酵母菌的無氧呼吸強度［3］。

實驗材料用具：帶刻度的燒杯6個、氣球6個，酵母菌培養(yǎng)液［4］、體積分數(shù)為 20%、40%、60%、80%的酒精、水浴鍋、量筒等。

實驗過程（見表1）：

表1 用經(jīng)典裝置探究酵母菌細胞呼吸的實驗過程

預期結(jié)果：若酒精濃度對酵母菌的無氧呼吸有影響，且濃度越高越不利于酵母菌的生存，則第5組氣球會因酵母菌的無氧呼吸而膨脹，燒杯中的液面上升；第6組液面不變；1～4組液面依次增加但低于第5組。

在實驗過程中，學生首先遇到的問題是：氣球中雖然注入了酵母菌培養(yǎng)液和酒精等，但置于燒杯的溫水中后仍向上漂浮，氣球的一半體積暴露于燒杯的液面之上。若酵母菌產(chǎn)氣后氣球會更加上浮，不會導致燒杯的液面發(fā)生變化。為解決這一問題，學生找來了一些大小相同的鐵片，將氣球固定在鐵片上，這樣氣球才沉入水底。

經(jīng)過了幾個小時后，6組氣球均沒有膨脹。實驗結(jié)果與預期不符，學生認為自己的假說沒有問題，問題出在實驗設計上。

初步判斷實驗失敗的原因是酵母菌沒有活性，為了檢驗酵母菌活性，學生將酵母菌培養(yǎng)液置于礦泉水瓶中密閉保溫作為對照，再一次進行上述實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)礦泉水瓶中的酵母菌產(chǎn)生大量氣體以致水瓶膨脹，說明實驗材料酵母菌是有活性的。學生繼而推測氣球在水中的氣密性可能不佳，導致酵母菌產(chǎn)生的氣體均釋放到氣球以外。

此外，學生發(fā)現(xiàn)由于實驗過程較長，燒杯中的水因大量蒸發(fā)而導致液面下降，這與預期恰好相反，這些設計缺陷激發(fā)了學生向“經(jīng)典實驗”發(fā)起挑戰(zhàn)的興趣。

3 實驗的改進

為了能完成這次實驗，學生求助于網(wǎng)絡，并參考一篇名為《酵母菌吹氣球》的文章設計如圖2所示的裝置，修改完善了實驗方案，并最終得出了與預期相符的結(jié)果。

實驗目的：探究酵母菌對酒精的耐受性。

實驗原理：酵母菌有氧呼吸消耗的氧氣與產(chǎn)生的二氧化碳的體積相同，無氧呼吸不消耗氧氣但會產(chǎn)生二氧化碳。因而圖2裝置中氣球的體積會因酵母菌的無氧呼吸變大，可根據(jù)單位時間氣球體積的大小反映酵母菌無氧呼吸強度。

實驗材料用具：錐形瓶7個、氣球7個，酵母菌培養(yǎng)液、體積分數(shù)為 20%、40%、60%、80%、100%的酒精、水浴鍋、量筒等。

圖2

實驗過程（見表2）及結(jié)果：

表2 用改進裝置探究酵母菌細胞呼吸的實驗過程

圖3 裝置的初始狀態(tài)

圖4 實驗結(jié)果

實驗結(jié)論：酒精濃度對酵母菌的無氧呼吸有影響，濃度越高越不利于酵母菌的無氧呼吸，從而反映酵母菌對酒精的耐受性是一定的。

課題延伸：酵母菌與其他微生物對酒精的耐受性差異顯著嗎？酵母菌耐受酒精的機理是什么？如何定量測出氣球中氣體的體積？上述裝置還能用于研究哪些課題？

4 教學反思

酵母菌是高中生物學教材中探究細胞呼吸的實驗材料，同時也是制作果酒的菌種。結(jié)合已有知識和生活經(jīng)驗，學生能認識到“酵母菌對酒精耐受性是有限度的”，但沒有實驗的佐證，這一認識僅停留在推理層面。在上述實驗探究的過程中,學生不但親身設計、修改實驗方案達成了探究目的，還認識到“實踐是檢驗經(jīng)典”的唯一方式，在學習中不能想當然地認為“誰對誰錯”，實驗裝置的合理性、實驗結(jié)果的真實性、實驗結(jié)論的正確性，這些都是可以質(zhì)疑的,而這一點也是科學精神的一種體現(xiàn)。

主要參考文獻

［1］人民教育出版社,課程教材研究所,生物課程教材研究開發(fā)中心.生物：選修1：生物技術(shù)實踐.北京:人民教育出版社，2007：2.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準（實驗）.北京:人民教育出版社，2003：2.

［3］張榮華,李紹元.果酒釀造實驗探索.生物學通報,2013,48(5):43.

［4］吳建華,王雪.“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗的問題探討.生物學通報，2014，49（2）：51.

［5］夏紅梅，陳珊，劉東波,等.酵母菌呼吸方式實驗裝置與實驗方法的設計.實驗室科學，2013，16（6）：17.