利用生物科學史培養學生建構生物模型的能力
——以“細胞膜的流動鑲嵌模型”一節為例

羅 玲

(江蘇省泗洪中學 223900)

生物學教學方法很多，而模型方法是很重要的一種。合理運用生物科學史中的經典實驗，探究模型建構的過程，能有效提高學生的建模能力。本文以人教版必修1第4章第2節“生物膜的流動鑲嵌模型”一節為例，對科學史的材料進行恰當的選擇和組織，引導學生沿著科學家的邏輯思維路線，從提供的材料中去主動發現問題，分析、推測實驗的結果，并通過模型呈現出來，最終完成生物膜流動鑲嵌模型的建構。

1 課前準備：制作磷脂分子和蛋白質分子平面模型

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生創設水面和水中的情境，利于學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分子模型易于在不銹鐵的托盤中定型，也利于學生舉起展示。課堂教學時以小組為單位，每個小組一個托盤、約40個磷脂分子模型和10個左右蛋白質分子模型，每小組6～8人為宜。

圖1 磷脂分子和蛋白質分子

2 教學流程：沿著科學家探索生物膜路線

2.1 設疑激趣，導入新課 引導學生回顧已學的細胞膜的功能，知道細胞膜對物質進出細胞具有選擇透過性。設問：這一層薄薄的細胞膜為什么能夠控制物質的進出？這與細胞膜的結構有什么關系？ 引入新課。

2.2 探究細胞膜成分——磷脂分子和蛋白質分子 展示資料1：1895年歐文頓用500多種化學物質對植物細胞通透性進行過上萬次實驗，發現細胞膜對不同物質的通透性存在差異：凡可以溶于脂質的物質，比不能溶于脂質的物質更容易通過細胞膜進入細胞。

引導學生分析分析實驗現象，推出實驗的結論：膜是由脂質構成的。

啟發學生討論：歐文頓的這個結論，是根據實驗現象的推理分析還是對膜的成分進行提取、分離和鑒定呢？是否要有進一步的實驗來驗證呢？

教師解釋：這種根據實驗現象的推理分析得出結論，稱之為假說，既然是假說，要進一步的實驗來驗證，通過鑒定能更準確地說明問題。

展示資料2：直至20世紀初，科學家第一次能將細胞膜從哺乳動物的紅細胞中分離出來，放入能溶解脂質的有機溶劑中(已知脂質易溶于該有機溶劑),實驗結果是細胞膜被溶解；用蛋白酶處理 (已知蛋白酶能專一性的催化蛋白質的分解)，細胞膜被破壞。

引導學生演繹推理，得出結論：膜的主要成分是磷脂和蛋白質。

2.3 構建細胞膜的基本骨架：磷脂雙分子層 設疑激思：膜的主要成分是脂質和蛋白質，脂質中主要是磷脂，磷脂在細胞膜中含量豐富，那么磷脂是怎樣參與到細胞膜結構的構建呢？

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(尾部)，又有親水基團(頭部)。1917年歐文·朗繆爾將磷脂溶于苯，將苯脂溶液置于水面，當苯揮發完以后，磷脂分子分布散亂，經過推擠，磷脂分子排成了單層。

分組討論，每個小組都有一張紙，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)。讓學生理解磷脂分子的“頭”“尾”性質，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

教師創設情境：假如用一玻璃棒輕輕攪動液面，許多磷脂分子進入水中，結果是水中的磷脂分子形成了一個個小球體，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。各個小組在排布時特別需要注意的一個前提(水盤有水)，同時思考：為什么這樣排布？球體內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，其球體內沒有水的存在；球體外可以有水的存在；學生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側，極性端朝向膜外兩側，解釋球體內外都可以有水的存在。

圖3 學生1演示

圖4 學生2演示

啟發學生討論、推測：生物膜最可能是由磷單層脂分子構成還是由兩層磷脂分子的？ 為什么？依據細胞內外都是液體環境，得出生物膜最可能是由雙層磷脂分子構成。

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

引導學生討論得出結論：細胞膜中得脂質分子必然排列為連續的兩層。

2.4 探究細胞膜的磷脂分子和蛋白質分子組合方式 設疑激思：膜中除了磷脂以外，還有蛋白質，那蛋白質位于細胞膜的什么位置呢？?引導學生思考膜中蛋白質的排布情況。

展示材料5：1959年，J. D. Robertson用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗—明—暗3層結構，厚約7.5 nm，它由厚約3.5 nm的雙層脂質分子和內外表面各為厚約2 nm的蛋白質構成，由此提出單位膜模型學說。

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

圖5 單位膜模型

引導學生分析討論三明治模型有哪些不足之處？有什么證據證明細胞膜中的物質不是靜態的呢？(舉例子反駁)。

學生分析討論得出：所有的生物膜具有相同的統一的結構，蛋白質均分布在膜的兩側，生物膜是靜止的剛性結構。舉例：變形蟲的變形運動、白細胞吞噬病原體、細胞分裂、精子與卵子結合、植物細胞質壁分離與復原實驗。

展示材料6：隨著新的技術手段不斷運用于生物膜的研究，科學家發現蛋白質并不是全部平鋪在磷脂的表面，有的蛋白質鑲嵌或橫跨于磷脂雙分子層中。

引導學生分析資料得出：磷脂雙分子層中蛋白質的排布不均勻。引導學生大膽想象膜中蛋白質的可能的排布情況。

展示材料7：1970年，Larry Frye等將人和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標記后，讓兩種細胞融合，雜種細胞一半發紅色熒光；另一半發綠色熒光，放置一段時間后發現兩種熒光抗體均勻分布。

引導學生分析得出：生物膜具有一定的流動性。

展示材料8：在繼承前人的推論基礎上，結合新的觀察和實驗證據，又有科學家提出一些關于生物膜的分子結構模型的假說。其中1972年桑格(S. J. Singer)和尼克森(G. Nicolson)提出的流動鑲嵌模型為大多數人所接受。

2.5 掌握生物膜的流動鑲嵌模型基本內容 通過前面學習，學生基本了解了流動鑲嵌模型的基本內容，課件展示流動鑲嵌模型的動畫圖，引導學生從生物膜的組成、基本骨架、蛋白質分子的排布特點及膜的結構特點等方面歸納：生物膜的主要組分是脂質、蛋白質，還有少量糖類；膜的基本支架是磷脂雙分子層；膜中的蛋白質分子以不同形式分布于磷脂雙分子層中，多糖與外側蛋白質或脂質結合為糖被或糖脂；膜的結構特點是具有一定的流動性。