利用生物科学史培养学生建构生物模型的能力——以“细胞膜的流动镶嵌模型”一节为例

罗 玲

(江苏省泗洪中学 223900)

生物学教学方法很多，而模型方法是很重要的一种。合理运用生物科学史中的经典实验，探究模型建构的过程，能有效提高学生的建模能力。本文以人教版必修1第4章第2节“生物膜的流动镶嵌模型”一节为例，对科学史的材料进行恰当的选择和组织，引导学生沿着科学家的逻辑思维路线，从提供的材料中去主动发现问题，分析、推测实验的结果，并通过模型呈现出来，最终完成生物膜流动镶嵌模型的建构。

1 课前准备：制作磷脂分子和蛋白质分子平面模型

选用不同颜色硬纸片(也可以各种废弃的包装盒，涂上不同的颜色)，剪成如图1所示磷脂分子(长约5 cm、宽约2 cm)和不同的蛋白质分子(长约7 cm、宽约3～4 cm)的平面模型，且背面利用不干胶黏上磁铁(长、宽均为3 mm)；不锈铁的托盘或薄铁片(长约40 cm、宽约30 cm)，一面贴一张白纸，且纸上一半画上波浪线，画波浪线目的是为学生创设水面和水中的情境，利于学生摆出水面及水中磷脂分子的排布。黏上磁铁的磷脂分子模型和蛋白质分子模型易于在不锈铁的托盘中定型，也利于学生举起展示。课堂教学时以小组为单位，每个小组一个托盘、约40个磷脂分子模型和10个左右蛋白质分子模型，每小组6～8人为宜。

图1 磷脂分子和蛋白质分子

2 教学流程：沿着科学家探索生物膜路线

2.1 设疑激趣，导入新课 引导学生回顾已学的细胞膜的功能，知道细胞膜对物质进出细胞具有选择透过性。设问：这一层薄薄的细胞膜为什么能够控制物质的进出？这与细胞膜的结构有什么关系？ 引入新课。

2.2 探究细胞膜成分——磷脂分子和蛋白质分子 展示资料1：1895年欧文顿用500多种化学物质对植物细胞通透性进行过上万次实验，发现细胞膜对不同物质的通透性存在差异：凡可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。

引导学生分析分析实验现象，推出实验的结论：膜是由脂质构成的。

启发学生讨论：欧文顿的这个结论，是根据实验现象的推理分析还是对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？是否要有进一步的实验来验证呢？

教师解释：这种根据实验现象的推理分析得出结论，称之为假说，既然是假说，要进一步的实验来验证，通过鉴定能更准确地说明问题。

展示资料2：直至20世纪初，科学家第一次能将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，放入能溶解脂质的有机溶剂中(已知脂质易溶于该有机溶剂),实验结果是细胞膜被溶解；用蛋白酶处理 (已知蛋白酶能专一性的催化蛋白质的分解)，细胞膜被破坏。

引导学生演绎推理，得出结论：膜的主要成分是磷脂和蛋白质。

2.3 构建细胞膜的基本骨架：磷脂双分子层 设疑激思：膜的主要成分是脂质和蛋白质，脂质中主要是磷脂，磷脂在细胞膜中含量丰富，那么磷脂是怎样参与到细胞膜结构的构建呢？

出示资料3：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，既有疏水基团(尾部)，又有亲水基团(头部)。1917年欧文·朗缪尔将磷脂溶于苯，将苯脂溶液置于水面，当苯挥发完以后，磷脂分子分布散乱，经过推挤，磷脂分子排成了单层。

分组讨论，每个小组都有一张纸，有波浪线的代表水，无波浪线的代表空气，利用手中的磷脂分子模型摆出磷脂分子在水面上的分布情况。

小组代表上黑板演示，亲水的头部与水结合，解释磷脂分子亲水的头部与水接触在水面形成了脂单层(图2)。让学生理解磷脂分子的“头”“尾”性质，为后面磷脂分子在水中的排布做铺垫。

图2 磷脂分子的“头”“尾”排布

教师创设情境：假如用一玻璃棒轻轻搅动液面，许多磷脂分子进入水中，结果是水中的磷脂分子形成了一个个小球体，每组利用手中的磷脂分子模型摆出磷脂分子在水中形成小球体的剖面图。各个小组在排布时特别需要注意的一个前提(水盘有水)，同时思考：为什么这样排布？球体内是否可以有水的存在？球体外是否可以有水的存在？还有没有其他情况？

学生1上黑板演示单层磷脂形成的小球体(图3)，亲水的头部向外，其球体内没有水的存在；球体外可以有水的存在；学生2演示双层磷脂形成的小球体(图4)，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，解释球体内外都可以有水的存在。

图3 学生1演示

图4 学生2演示

启发学生讨论、推测：生物膜最可能是由磷单层脂分子构成还是由两层磷脂分子的？ 为什么？依据细胞内外都是液体环境，得出生物膜最可能是由双层磷脂分子构成。

展示资料4：1925年，荷兰科学家戈特和格伦德分离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按朗缪尔(Langmuir)的方法进行展层，并比较展层后的脂单层的面积和根据体积所推算的总面积，发现提取的脂铺展后所测的面积同实际测量的红细胞的表面积之比为(1.8～2.2)∶1，约为2倍。

引导学生讨论得出结论：细胞膜中得脂质分子必然排列为连续的两层。

2.4 探究细胞膜的磷脂分子和蛋白质分子组合方式 设疑激思：膜中除了磷脂以外，还有蛋白质，那蛋白质位于细胞膜的什么位置呢？?引导学生思考膜中蛋白质的排布情况。

展示材料5：1959年，J. D. Robertson用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明—暗3层结构，厚约7.5 nm，它由厚约3.5 nm的双层脂质分子和内外表面各为厚约2 nm的蛋白质构成，由此提出单位膜模型学说。

教师提供电镜成像原理：电子束照射大分子物质散射度高，黑暗；照射小分子物质，散射度低，光亮。依据电镜成像原理，学生构建出单位膜模型(图5)。

图5 单位膜模型

引导学生分析讨论三明治模型有哪些不足之处？有什么证据证明细胞膜中的物质不是静态的呢？(举例子反驳)。

学生分析讨论得出：所有的生物膜具有相同的统一的结构，蛋白质均分布在膜的两侧，生物膜是静止的刚性结构。举例：变形虫的变形运动、白细胞吞噬病原体、细胞分裂、精子与卵子结合、植物细胞质壁分离与复原实验。

展示材料6：随着新的技术手段不断运用于生物膜的研究，科学家发现蛋白质并不是全部平铺在磷脂的表面，有的蛋白质镶嵌或横跨于磷脂双分子层中。

引导学生分析资料得出：磷脂双分子层中蛋白质的排布不均匀。引导学生大胆想象膜中蛋白质的可能的排布情况。

展示材料7：1970年，Larry Frye等将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光；另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

引导学生分析得出：生物膜具有一定的流动性。

展示材料8：在继承前人的推论基础上，结合新的观察和实验证据，又有科学家提出一些关于生物膜的分子结构模型的假说。其中1972年桑格(S. J. Singer)和尼克森(G. Nicolson)提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。

2.5 掌握生物膜的流动镶嵌模型基本内容 通过前面学习，学生基本了解了流动镶嵌模型的基本内容，课件展示流动镶嵌模型的动画图，引导学生从生物膜的组成、基本骨架、蛋白质分子的排布特点及膜的结构特点等方面归纳：生物膜的主要组分是脂质、蛋白质，还有少量糖类；膜的基本支架是磷脂双分子层；膜中的蛋白质分子以不同形式分布于磷脂双分子层中，多糖与外侧蛋白质或脂质结合为糖被或糖脂；膜的结构特点是具有一定的流动性。