跨學科融合改進“酵母菌細胞呼吸方式”實驗

楊建忠 王其鶴

(1 江蘇省靖江高級中學 靖江 214500； 2 江蘇省靖江市教師發(fā)展中心 靖江 214500)

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物學必修1《分子與細胞》第5章第3節(jié)的重要教學內(nèi)容。為達成課程目標，教材編排了包括裝置在內(nèi)的比較詳細的實驗方案。然而，在教學實施過程中，常會遇到諸多制約探究活動的困難。為此，筆者嘗試將初高中理化生實驗的儀器、內(nèi)容、方法、思維等多個方面進行相互借鑒融合，改進該實驗的探究方案。

1 協(xié)調(diào)生物學和化學實驗，改進酵母菌培養(yǎng)方法

1.1 酵母菌呼吸裝置的改進 教材建議的探究酵母菌有氧呼吸的主體裝置，是由500 mL錐形瓶、帶一長一短直角玻璃彎管的瓶塞組成；教材建議的操作方法是： 先向瓶中加入240 mL酵母菌葡萄糖培養(yǎng)液，待塞緊雙導管瓶塞后，再通過長導管向培養(yǎng)液中通入經(jīng)10%NaOH處理的無CO2空氣，并由短導管將經(jīng)酵母菌有氧呼吸后的氣體排入澄清石灰水或0.01%溴麝香草酚藍水溶液(BTB)中。其中，通入氣體是希望為瓶中的酵母菌提供充足的氧氣，但由于玻璃導管與錐形瓶兩者橫截面大小相差懸殊，經(jīng)導管出口進入培養(yǎng)液的氣體，在水平方向上難以充分擴散到瓶邊緣的培養(yǎng)液中，致使位于瓶邊緣的部分酵母菌因缺氧而進行無氧呼吸，導致酒精檢測結(jié)果的失敗。

圖1 改進后的實驗裝置

針對這一限制探究活動的瓶頸，在課題組化學老師的幫助下，筆者將“實驗室制取氧氣”“石灰石與鹽酸反應(yīng)的氣體通入澄清石灰水”[1]等多個化學實驗器材進行協(xié)調(diào)，在選用醫(yī)用輸液管突破雙導管試管塞制作的基礎(chǔ)上，對教材建議的裝置進行改進，將錐形瓶、玻璃導管分別替換為25 mL試管、輸液管(圖1)。用改進后的裝置進行實驗，既能有效避免局部的無氧呼吸，又能減少材料試劑的用量，還能為增加檢測消耗氧氣的實驗提供前提條件。

1.2 自動充氣裝置的創(chuàng)設(shè) 充入適量流速的空氣是探究有氧呼吸的關(guān)鍵操作，原教材建議的充氣工具是充氣泵或洗耳球。實際操作過程中發(fā)現(xiàn)使用充氣泵時，因充入空氣的速度太快，致使流經(jīng)10%NaOH溶液后的氣體仍然殘留較多的CO2，即使不流經(jīng)酵母菌培養(yǎng)液也能使澄清石灰水快速變渾濁或使BTB變色；而使用洗耳球的主要不足是需要在吹氣和吸氣之間不斷進行轉(zhuǎn)換，而頻繁的轉(zhuǎn)換容易引發(fā)錯誤操作導致出現(xiàn)液體倒吸現(xiàn)象。

為了彌補該裝置的不足，筆者聯(lián)合課題組成員將化學實驗中的“排水集氣法”與生物學實驗中的“洗脫法”[2]協(xié)調(diào)結(jié)合，創(chuàng)設(shè)可以調(diào)速的自動充氣裝置，具體制作方法是： ①先將空置的輸液袋注滿500 mL水，再從袋塞處插入輸液管插頭，最后將水袋置于鐵架臺的可調(diào)控高度的鐵架上；②選用500 mL細口瓶和配套瓶塞，并將瓶塞用打孔器打出雙孔，兩孔均倒插入一段帶針帽接頭的0.5 mL注射器針筒(針帽接頭向上)；③剪去2號注射針的針管，取其針帽與待連接的充氣軟管入口配接，制得可直接套接在注射器出口上的接頭(圖1)。

使用該充氣裝置的優(yōu)點： ①可在水袋高度、輸液管控制閥、針帽出口大小(通過針號控制)多個層面上調(diào)控適宜的充氣速率，以便獲得理想的實驗結(jié)果；②實現(xiàn)連續(xù)的自動充氣，以便集中精力觀察實驗現(xiàn)象。

2 協(xié)調(diào)生物學和物理實驗，改進結(jié)果檢測方法

2.1 酒精檢測方法的創(chuàng)新 教材提供的酒精檢測方法是： 首先將酵母菌培養(yǎng)液用濾紙進行過濾，然后取2 mL過濾液注入干凈的試管中，最后向試管中滴加0.5 mL溶有0.1 g重鉻酸鉀的濃硫酸溶液，輕輕振蕩混勻，再觀察試管中溶液的顏色變化。然而該方法要能得到正確的實驗結(jié)果，需要極其苛刻的條件——培養(yǎng)液中的葡萄糖必須被酵母菌徹底耗盡，否則殘留的葡萄糖會使酸性重鉻酸鉀發(fā)生與酒精類似的顏色變化，而要滿足此條件，需將實驗持續(xù)進行8～10 h，這是正常教學秩序下的高中學生難以實施的操作活動。如何在有殘留葡萄糖的情況下檢測酒精是廣大高中生物學教師迫切希望突破的實驗瓶頸。許多教師長期不懈的探索，雖然提出了一些新的方法，如用酸性重鉻酸鉀檢測培養(yǎng)液的蒸餾液，或用酒精檢測儀檢測培養(yǎng)液等，但是上述方法由于要求產(chǎn)生足夠多的酒精因而無法擺脫課前培養(yǎng)的束縛，導致實驗結(jié)果的可信度降低，采用什么方法才能夠做到在課堂上現(xiàn)場培養(yǎng)、現(xiàn)場檢測呢？

經(jīng)過課題組成員的共同努力，筆者將物理學的“酒精汽化”實驗[3]、生物學的“平板倒置培養(yǎng)”實驗與本實驗進行協(xié)調(diào)，創(chuàng)設(shè)用酸性重鉻酸鉀直接檢測酒精蒸氣的方法。該方法的具體操作步驟是： ①選用蓋玻片盒蓋作為蘸載少量酸性重鉻酸鉀的容器，選用載玻片作為檢測操作時拿捏的抓手，選用502膠水將盒蓋外底面與載玻片一端粘合成檢測酒精蒸氣的工具(圖2)；②先用玻璃棒蘸取少量教材配方的酸性重鉻酸鉀，再點蘸于盒蓋中央的圓圈內(nèi)。③往1 000 mL燒杯中注入900 mL 90℃水，將剛結(jié)束培養(yǎng)的有氧、無氧酵母培養(yǎng)液試管放入燒杯中保溫，同時將檢測工具套扣在試管口上，觀察其上重鉻酸鉀的顏色變化。

圖2 檢測酒精氣體的工具

該方法的優(yōu)點是： ①無論有無殘留葡萄糖，有氧呼吸檢測不變色、無氧呼吸檢測變綠色的現(xiàn)象十分明顯；②15 mL教材配方的酵母菌葡萄糖培養(yǎng)液，在接近40℃的溫度下培養(yǎng)10 min，就能得到預期的檢測結(jié)果，從而使得整體實驗只要用15 min左右的時間就能全部完成，實現(xiàn)了實驗檢測的當堂化。

2.2 氧氣檢測方法的創(chuàng)設(shè) 有氧呼吸消耗O2，產(chǎn)生CO2和H2O。因此，檢測O2的消耗，比較消耗O2、產(chǎn)生CO2的體積量關(guān)系，也應(yīng)成為探究活動的內(nèi)容之一。在課題組成員的協(xié)助下，筆者在協(xié)調(diào)物理“氣體壓強”與生物學“比較H2O2在不同條件下分解”兩實驗的基礎(chǔ)上，增設(shè)耗氧檢測活動，其具體操作是： 取兩支20 mL注射器，一支吸入5 mL死酵母菌培養(yǎng)液和20 mL O2，一支吸入5 mL活酵母菌培養(yǎng)液和20 mL O2，在相同且適宜的條件下培養(yǎng)15 min(教學中可與細胞呼吸實驗同步進行)，再借助醫(yī)院注射用的三通閥，將兩注射器內(nèi)氣體推入另外兩個潔凈的注射筒內(nèi)，并插入帶火星的衛(wèi)生香，觀察比較復燃情況，得出是否消耗O2；在實驗已經(jīng)得出消耗O2和產(chǎn)生CO2的基礎(chǔ)上，關(guān)閉自創(chuàng)充氣裝置的控制閥而暫停充氣，觀察位于石灰水或BTB中的導管口有無氣泡，進而得出有氧呼吸試管內(nèi)的氣壓是否改變，并最終得出前述體積量的關(guān)系。

上述改進，雖然解決了探究活動中的一些問題，但是，對于無氧呼吸實驗中連通石灰水或BTB時間節(jié)點的把控、沉積于無氧呼吸裝置中的CO2全部及時排出的方法等問題，還有待進一步探索。