师:同学们好,上节课我们学习了细胞呼吸的第一课时,今天继续学习第二课时。首先,我们来看本节的重点——探究酵母菌细胞呼吸的方式,接着分析影响细胞呼吸的因素,最后探讨细胞呼吸原理的应用。
先来看第一个问题,探究酵母菌细胞呼吸的方式。在这个实验中,为什么选择酵母菌作为实验材料呢?大家看,这是两个酵母菌的图形。酵母菌是一种单细胞真菌,在有氧和无氧条件下都能生存,属于兼性厌氧菌。同学们思考一下,研究细胞呼吸方式的实验为何选它?原因有两点:其一,酵母菌是单细胞生物,它的呼吸就代表了细胞呼吸;其二,生活中制作米酒时能发现,酵母菌既能进行有氧呼吸,也能进行无氧呼吸。基于这两个优点,我们选用酵母菌。
要分析酵母菌的呼吸方式,就得检测其呼吸产生的物质,比如是否有酒精和二氧化碳。先看酒精的检测方法,我们可以用酸性重铬酸钾检测,橙色的酸性重铬酸钾溶液与酒精反应后,会由橙色变成灰绿色。也就是说,如果酵母菌在无氧环境下产生的液体能让酸性重铬酸钾由橙变灰绿,就说明产生了酒精,反之则没有。
再看二氧化碳的检测,二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊,在高中阶段,我们还补充一种检测方法,用溴麝香草酚蓝水溶液,它会由蓝变绿再变黄。这里要提醒大家,别把二氧化碳和酒精检测的颜色弄混。溴麝香草酚蓝水溶液本身是蓝色,从蓝色开始变化,这样就容易区分现象了。看图示,溶液原本蓝色,通入二氧化碳后变绿,最后变黄。
了解这些理论知识后,我们开始设计实验。这节课探究酵母菌细胞的呼吸方式,所以要分别给酵母菌提供有氧和无氧条件,一段时间后检测产物是否含酒精或二氧化碳,并比较二氧化碳量的多少。根据这个思路,我们设计实验变量。
实验要注意三个变量,一是设置自变量,本实验的自变量就是有氧还是无氧;二是检测因变量,即通过前面所学理论检测是否含酒精、二氧化碳;三是控制无关变量,像温度对酵母菌的影响以及酵母菌本身活性的影响等,这些都是影响实验结果的可变因素。设计自变量要遵循单一变量原则,无关变量要保持相同且适宜。
那怎样设置自变量呢?这是有氧呼吸和无氧呼吸的两个装置,大家比较一下,看看有什么相同点和不同点。相同点是都进行酵母菌细胞培养,且都用澄清石灰水检测是否产生二氧化碳。不同点在于,有氧呼吸装置加了一个锥形瓶,里面加入质量分数为10%的氢氧化钠溶液。大家思考一下,这个氢氧化钠溶液有什么作用?
接下来进行实验。第一步,配置酵母菌培养液,称取20克酵母菌,均等分成两份,分别溶解在240毫升5%的葡萄糖溶液中,标号a组和b组,这样能保证酵母菌量相同。
第二步,a组在有氧情况下,按图连接三个锥形瓶。为什么要连一个装有氢氧化钠溶液的锥形瓶呢?因为有氧环境中,导管直接与外界空气相连,空气中不仅有氧气,还有二氧化碳等其他气体,二氧化碳会使澄清石灰水变浑浊,这样就无法确定石灰水变浑浊是酵母菌有氧呼吸产生的二氧化碳。所以先用氢氧化钠溶液吸收空气中的二氧化碳,保证通入酵母菌的只有氧气。
无氧条件下,直接用酵母菌培养液连接澄清石灰水。这里有个问题,锥形瓶中培养液没完全填充,里面还有空气,也就是有氧气,怎样保证锥形瓶中无氧气呢?操作时,先让酵母菌培养液反应一段时间,尽可能消耗完里面的氧气,再把导管插入澄清石灰水中。
然后把两个装置放置相同时间,检测产物是否有酒精和二氧化碳。实验结果如图所示,用橙色重铬酸钾检测,有氧环境中颜色不变,无氧环境中由橙色变成灰绿色,说明有氧呼吸没产生酒精,无氧呼吸产生了酒精。有氧呼吸和无氧呼吸过程中,澄清石灰水都变浑浊。
因为两个实验开始时加的酵母菌质量相同,都是10克,葡萄糖量也相同,反应时间、环境都相同,唯一变量就是一个通入氧气,一个没通氧气,根据石灰水浑浊程度,可推测有氧呼吸放出二氧化碳相对多些,无氧呼吸少些。
由此可知,酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。有氧条件下,酵母菌通过细胞呼吸产生大量二氧化碳和水;无氧条件下,产生酒精和少量二氧化碳。
学完这个实验,我们来总结一下探究实验。先了解对照实验和对比实验。除一个因素外,其他因素都保持不变的实验叫对照实验,一般要设置对照组和实验组,比如教材79页比较过氧化氢在不同条件下分解的实验,1号试管是空白对照,2号、3号和4号试管是实验组,分别对应加热、加氯化铁和加入肝脏研磨液,结果发现酶具有高效性。
对比实验是设置两个或两个以上实验组,通过对结果的分析探究某种因素与实验现象的关系,像今天探究的这个实验,有氧和无氧两种条件的结果事先未知,我们通过溴麝香草酚蓝水溶液、澄清石灰水、酸性重铬酸钾检测产生的物质。
实验设计时要控制变量,有自变量、因变量和无关变量。无关变量是除自变量外,实验过程中可能影响实验结果的可变因素。
这是我们解决的第一个问题,探究酵母细胞的呼吸方式。接下来分析影响细胞呼吸的因素。
先看细胞呼吸的反应式,同学们能把有氧呼吸的反应式再书写一遍吗?看,这是细胞有氧呼吸的反应式。影响细胞呼吸的因素可归为两类,一类是内因,因为反应需要多种酶催化,所以酶的种类和数量是重要内因,不同生物所含酶的种类和数量不同。
另一类是外界因素,包括温度、氧气浓度、二氧化碳浓度和水分。这里要特别注意借助图形,培养从图表中获取信息的能力。
先看温度对呼吸速率的影响,温度主要通过影响酶的活性来影响呼吸速率,这个图和温度对酶活性的影响相似,有最适温度,低温降低酶活性,高温使酶失活。生活中冰箱有冷藏和冷冻,保鲜用冷藏。
再看氧气浓度对呼吸速率的影响,这个图很重要,能获取很多信息,也能指导生活应用。看a点,此时只进行无氧呼吸;e点代表有氧呼吸和无氧呼吸释放二氧化碳量相等,已知有氧呼吸1摩尔葡萄糖释放6摩尔二氧化碳,无氧呼吸1摩尔葡萄糖释放2摩尔二氧化碳,所以释放二氧化碳量相等时,无氧呼吸和有氧呼吸消耗葡萄糖量之比是3 : 1。
f点是与横坐标的交点,对应b这个最低点,此时二氧化碳释放总量最低,对应的氧气浓度就是果实储存的适宜氧气浓度。从图可知,果实储存不在无氧环境,而是低氧环境。随着氧气浓度增加,二氧化碳释放总量先减少后增加。现实生活中,给植物中耕松土,目的是加快根部有氧呼吸,促进根对土壤中无机盐的吸收。
