基于呼吸熵原理下的細胞衰老實驗設(shè)計

黃健嵩 陳幫強 婁小勇

（貴州省遵義市第一中學 貴州遵義 563000）

人教版高中生物學必修1 教材中介紹了細胞代謝減慢是細胞衰老的重要特征， 但教材中并沒有設(shè)計實驗驗證這一知識。 細胞呼吸是細胞代謝十分重要的生理作用， 有許多教輔資料介紹了密閉裝置中， 通過有色液體的變化探究呼吸作用的類型和比較呼吸的強度。為此，用呼吸作用宏觀上所表現(xiàn)的實驗現(xiàn)象與微觀上細胞衰老代謝減慢相結(jié)合，設(shè)計細胞衰老實驗并應(yīng)用于教學中，使師生能更直觀理解細胞衰老的特征。

1 設(shè)計思路

離體葉片在黑暗中不進行光合作用， 但要進行呼吸作用。 將葉片在黑暗中處理24 h，大多數(shù)葉片中的糖類被利用完。接著用蛋白質(zhì)、脂類等為底物進行呼吸作用，由于蛋白質(zhì)、脂類的氫含量大于糖類，呼吸作用過程產(chǎn)生的［H］多，消化的氧氣多， 這樣使呼吸過程中氧氣的吸收量大于二氧化碳釋放量，呼吸熵小于1。 若在塑料瓶中放入離體葉片，檢測氧氣濃度后，用氣球閉封瓶口，放入黑暗環(huán)境中一段時間后， 因裝置中的壓強減小使氣球內(nèi)陷， 根據(jù)內(nèi)陷程度和氧氣的減少量就能比較成熟葉與老黃葉的呼吸強度。 同時用無呼吸作用的死亡成熟葉、 死亡老黃葉和濾紙模擬葉作為對照，排除無關(guān)變量對實驗的干擾，即可比較細胞衰老與細胞代謝的相關(guān)性，研究思路如圖1 所示。

圖1 基于呼吸熵原理下的細胞衰老實驗設(shè)計探究思路

2 探究過程

2.1 實驗材料 櫻花葉、樟樹葉、杜英葉、翅莢香槐葉、鳶尾葉、葉球甘藍葉、白菜葉、海桐葉、迎春花葉、小葉女貞葉和常春藤葉。

2.2 實驗用具 電子天平、剪刀、塑料瓶、氣球、紙箱、標簽和濾紙。

2.3 實驗方法

表1 呼吸熵原理下的細胞衰老實驗設(shè)計材料分組裝瓶處理統(tǒng)計（單位：g）

1）將550 mL 的塑料瓶洗凈晾干后備用。

2）材料分組裝瓶處理（見表1）。

3）用AR8100 氧氣檢測儀檢測瓶中氧氣濃度，然后用自然球長5.5 cm 的小氣球封住塑料瓶口，封瓶后放置在25℃的黑暗條件下，72 h 后測定氣球內(nèi)陷深度并檢測實驗后氧氣濃度。

2.4 實驗結(jié)果（見表2、圖2～圖5）

圖2 杜英實驗前的現(xiàn)象

圖3 杜英實驗后的現(xiàn)象

圖4 鳶尾實驗前的現(xiàn)象

圖5 鳶尾實驗后的現(xiàn)象

表2 呼吸熵原理下細胞衰老實驗設(shè)計結(jié)果統(tǒng)計

2.5 結(jié)果分析 將表2 中成熟葉（第1 組）、老黃葉（第3 組）的數(shù)據(jù)制成圖6、圖7。

圖6 72 h 不同植物成熟葉與老黃葉氣球內(nèi)陷程度對比

圖7 72 h 不同植物成熟葉與老黃葉瓶中氧氣減少量對比

從表2 的第2 組、第4 組、第5 組的數(shù)據(jù)可以看出，瓶中死亡的葉片和濾紙葉片無呼吸作用，氣球狀態(tài)、氧氣減少量實驗前、后未變化，說明瓶中壓強未改變。 從圖3、圖6 可以看出，10 種植物中，除樟樹、杜英老黃葉氣球?qū)嶒炃?、后未變化外，其他植物的成熟葉與老黃葉72 h 后氣球均出現(xiàn)不同程度的內(nèi)陷， 初步判斷成熟葉與老黃葉呼吸作用消耗的氧氣量大于二氧化碳的產(chǎn)生量。 結(jié)合圖7 可對比發(fā)現(xiàn)所有成熟葉消耗的氧氣量遠大于老黃葉， 即相同條件下成熟葉的呼吸強度大于老黃葉，由此證明衰老的葉細胞代謝減慢。

結(jié)論：衰老程度大的老黃葉代謝小于衰老程度小的成熟葉，即細胞衰老代謝減慢。

3 討論

筆者設(shè)計的實驗方案彌補了教材中缺乏細胞衰老探究實驗的不足。 同時設(shè)計的實驗方案操作簡單，取材方便，效果顯著，應(yīng)用于教學不但讓師生直觀理解細胞衰老代謝減慢的特征， 更重要的是該實驗方案是理想的研究性學習資源， 應(yīng)用在教學中有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。