基于呼吸熵原理下的细胞衰老实验设计

黄健嵩 陈帮强 娄小勇

（贵州省遵义市第一中学 贵州遵义 563000）

人教版高中生物学必修1 教材中介绍了细胞代谢减慢是细胞衰老的重要特征， 但教材中并没有设计实验验证这一知识。 细胞呼吸是细胞代谢十分重要的生理作用， 有许多教辅资料介绍了密闭装置中， 通过有色液体的变化探究呼吸作用的类型和比较呼吸的强度。为此，用呼吸作用宏观上所表现的实验现象与微观上细胞衰老代谢减慢相结合，设计细胞衰老实验并应用于教学中，使师生能更直观理解细胞衰老的特征。

1 设计思路

离体叶片在黑暗中不进行光合作用， 但要进行呼吸作用。 将叶片在黑暗中处理24 h，大多数叶片中的糖类被利用完。接着用蛋白质、脂类等为底物进行呼吸作用，由于蛋白质、脂类的氢含量大于糖类，呼吸作用过程产生的［H］多，消化的氧气多， 这样使呼吸过程中氧气的吸收量大于二氧化碳释放量，呼吸熵小于1。 若在塑料瓶中放入离体叶片，检测氧气浓度后，用气球闭封瓶口，放入黑暗环境中一段时间后， 因装置中的压强减小使气球内陷， 根据内陷程度和氧气的减少量就能比较成熟叶与老黄叶的呼吸强度。 同时用无呼吸作用的死亡成熟叶、 死亡老黄叶和滤纸模拟叶作为对照，排除无关变量对实验的干扰，即可比较细胞衰老与细胞代谢的相关性，研究思路如图1 所示。

图1 基于呼吸熵原理下的细胞衰老实验设计探究思路

2 探究过程

2.1 实验材料 樱花叶、樟树叶、杜英叶、翅荚香槐叶、鸢尾叶、叶球甘蓝叶、白菜叶、海桐叶、迎春花叶、小叶女贞叶和常春藤叶。

2.2 实验用具 电子天平、剪刀、塑料瓶、气球、纸箱、标签和滤纸。

2.3 实验方法

表1 呼吸熵原理下的细胞衰老实验设计材料分组装瓶处理统计（单位：g）

1）将550 mL 的塑料瓶洗净晾干后备用。

2）材料分组装瓶处理（见表1）。

3）用AR8100 氧气检测仪检测瓶中氧气浓度，然后用自然球长5.5 cm 的小气球封住塑料瓶口，封瓶后放置在25℃的黑暗条件下，72 h 后测定气球内陷深度并检测实验后氧气浓度。

2.4 实验结果（见表2、图2～图5）

图2 杜英实验前的现象

图3 杜英实验后的现象

图4 鸢尾实验前的现象

图5 鸢尾实验后的现象

表2 呼吸熵原理下细胞衰老实验设计结果统计

2.5 结果分析 将表2 中成熟叶（第1 组）、老黄叶（第3 组）的数据制成图6、图7。

图6 72 h 不同植物成熟叶与老黄叶气球内陷程度对比

图7 72 h 不同植物成熟叶与老黄叶瓶中氧气减少量对比

从表2 的第2 组、第4 组、第5 组的数据可以看出，瓶中死亡的叶片和滤纸叶片无呼吸作用，气球状态、氧气减少量实验前、后未变化，说明瓶中压强未改变。 从图3、图6 可以看出，10 种植物中，除樟树、杜英老黄叶气球实验前、后未变化外，其他植物的成熟叶与老黄叶72 h 后气球均出现不同程度的内陷， 初步判断成熟叶与老黄叶呼吸作用消耗的氧气量大于二氧化碳的产生量。 结合图7 可对比发现所有成熟叶消耗的氧气量远大于老黄叶， 即相同条件下成熟叶的呼吸强度大于老黄叶，由此证明衰老的叶细胞代谢减慢。

结论：衰老程度大的老黄叶代谢小于衰老程度小的成熟叶，即细胞衰老代谢减慢。

3 讨论

笔者设计的实验方案弥补了教材中缺乏细胞衰老探究实验的不足。 同时设计的实验方案操作简单，取材方便，效果显著，应用于教学不但让师生直观理解细胞衰老代谢减慢的特征， 更重要的是该实验方案是理想的研究性学习资源， 应用在教学中有助于培养学生的创新精神和实践能力。