跨學(xué)科融合改進(jìn)“酵母菌細(xì)胞呼吸方式”實(shí)驗(yàn)

楊建忠 王其鶴

(1 江蘇省靖江高級(jí)中學(xué) 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(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》第5章第3節(jié)的重要教學(xué)內(nèi)容。為達(dá)成課程目標(biāo)，教材編排了包括裝置在內(nèi)的比較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案。然而，在教學(xué)實(shí)施過程中，常會(huì)遇到諸多制約探究活動(dòng)的困難。為此，筆者嘗試將初高中理化生實(shí)驗(yàn)的儀器、內(nèi)容、方法、思維等多個(gè)方面進(jìn)行相互借鑒融合，改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)的探究方案。

1 協(xié)調(diào)生物學(xué)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)酵母菌培養(yǎng)方法

1.1 酵母菌呼吸裝置的改進(jìn) 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(zhǎng)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(dǎo)管瓶塞后，再通過長(zhǎng)導(dǎo)管向培養(yǎng)液中通入經(jīng)10%NaOH處理的無CO2空氣，并由短導(dǎo)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(lán)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(dǎo)管與錐形瓶?jī)烧邫M截面大小相差懸殊，經(jīng)導(dǎo)管出口進(jìn)入培養(yǎng)液的氣體，在水平方向上難以充分?jǐn)U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(jìn)行無氧呼吸，導(dǎo)致酒精檢測(cè)結(jié)果的失敗。

圖1 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)這一限制探究活動(dòng)的瓶頸，在課題組化學(xué)老師的幫助下，筆者將“實(shí)驗(yàn)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(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行協(xié)調(diào)，在選用醫(yī)用輸液管突破雙導(dǎo)管試管塞制作的基礎(chǔ)上，對(duì)教材建議的裝置進(jìn)行改進(jìn)，將錐形瓶、玻璃導(dǎo)管分別替換為25 mL試管、輸液管(圖1)。用改進(jìn)后的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(cè)消耗氧氣的實(shí)驗(yàn)提供前提條件。

1.2 自動(dòng)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(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)使用充氣泵時(shí)，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(jìn)行轉(zhuǎn)換，而頻繁的轉(zhuǎn)換容易引發(fā)錯(cuò)誤操作導(dǎo)致出現(xiàn)液體倒吸現(xiàn)象。

為了彌補(bǔ)該裝置的不足，筆者聯(lián)合課題組成員將化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“排水集氣法”與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(tái)的可調(diào)控高度的鐵架上；②選用500 mL細(xì)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(hào)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(diǎn)： ①可在水袋高度、輸液管控制閥、針帽出口大小(通過針號(hào)控制)多個(gè)層面上調(diào)控適宜的充氣速率，以便獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；②實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自動(dòng)充氣，以便集中精力觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2 協(xié)調(diào)生物學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)結(jié)果檢測(cè)方法

2.1 酒精檢測(cè)方法的創(chuàng)新 教材提供的酒精檢測(cè)方法是： 首先將酵母菌培養(yǎng)液用濾紙進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行8～10 h，這是正常教學(xué)秩序下的高中學(xué)生難以實(shí)施的操作活動(dòng)。如何在有殘留葡萄糖的情況下檢測(cè)酒精是廣大高中生物學(xué)教師迫切希望突破的實(shí)驗(yàn)瓶頸。許多教師長(zhǎng)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(cè)培養(yǎng)液的蒸餾液，或用酒精檢測(cè)儀檢測(cè)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(chǎng)培養(yǎng)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)呢？

經(jīng)過課題組成員的共同努力，筆者將物理學(xué)的“酒精汽化”實(shí)驗(yàn)[3]、生物學(xué)的“平板倒置培養(yǎng)”實(shí)驗(yàn)與本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行協(xié)調(diào)，創(chuàng)設(shè)用酸性重鉻酸鉀直接檢測(cè)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(cè)操作時(shí)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(cè)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(diǎn)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(shí)將檢測(cè)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(cè)酒精氣體的工具

該方法的優(yōu)點(diǎn)是： ①無論有無殘留葡萄糖，有氧呼吸檢測(cè)不變色、無氧呼吸檢測(cè)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(yù)期的檢測(cè)結(jié)果，從而使得整體實(shí)驗(yàn)只要用15 min左右的時(shí)間就能全部完成，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的當(dāng)堂化。

2.2 氧氣檢測(cè)方法的創(chuàng)設(shè) 有氧呼吸消耗O2，產(chǎn)生CO2和H2O。因此，檢測(cè)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(dòng)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(qiáng)”與生物學(xué)“比較H2O2在不同條件下分解”兩實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)耗氧檢測(cè)活動(dòng)，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(xué)中可與細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)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(gè)潔凈的注射筒內(nèi)，并插入帶火星的衛(wèi)生香，觀察比較復(fù)燃情況，得出是否消耗O2；在實(shí)驗(yàn)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(dǎo)管口有無氣泡，進(jìn)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(jìn)，雖然解決了探究活動(dòng)中的一些問題，但是，對(duì)于無氧呼吸實(shí)驗(yàn)中連通石灰水或BTB時(shí)間節(jié)點(diǎn)的把控、沉積于無氧呼吸裝置中的CO2全部及時(shí)排出的方法等問題，還有待進(jìn)一步探索。