跨学科融合改进“酵母菌细胞呼吸方式”实验

杨建忠 王其鹤

(1 江苏省靖江高级中学 靖江 214500； 2 江苏省靖江市教师发展中心 靖江 214500)

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学必修1《分子与细胞》第5章第3节的重要教学内容。为达成课程目标，教材编排了包括装置在内的比较详细的实验方案。然而，在教学实施过程中，常会遇到诸多制约探究活动的困难。为此，笔者尝试将初高中理化生实验的仪器、内容、方法、思维等多个方面进行相互借鉴融合，改进该实验的探究方案。

1 协调生物学和化学实验，改进酵母菌培养方法

1.1 酵母菌呼吸装置的改进 教材建议的探究酵母菌有氧呼吸的主体装置，是由500 mL锥形瓶、带一长一短直角玻璃弯管的瓶塞组成；教材建议的操作方法是： 先向瓶中加入240 mL酵母菌葡萄糖培养液，待塞紧双导管瓶塞后，再通过长导管向培养液中通入经10%NaOH处理的无CO2空气，并由短导管将经酵母菌有氧呼吸后的气体排入澄清石灰水或0.01%溴麝香草酚蓝水溶液(BTB)中。其中，通入气体是希望为瓶中的酵母菌提供充足的氧气，但由于玻璃导管与锥形瓶两者横截面大小相差悬殊，经导管出口进入培养液的气体，在水平方向上难以充分扩散到瓶边缘的培养液中，致使位于瓶边缘的部分酵母菌因缺氧而进行无氧呼吸，导致酒精检测结果的失败。

图1 改进后的实验装置

针对这一限制探究活动的瓶颈，在课题组化学老师的帮助下，笔者将“实验室制取氧气”“石灰石与盐酸反应的气体通入澄清石灰水”[1]等多个化学实验器材进行协调，在选用医用输液管突破双导管试管塞制作的基础上，对教材建议的装置进行改进，将锥形瓶、玻璃导管分别替换为25 mL试管、输液管(图1)。用改进后的装置进行实验，既能有效避免局部的无氧呼吸，又能减少材料试剂的用量，还能为增加检测消耗氧气的实验提供前提条件。

1.2 自动充气装置的创设 充入适量流速的空气是探究有氧呼吸的关键操作，原教材建议的充气工具是充气泵或洗耳球。实际操作过程中发现使用充气泵时，因充入空气的速度太快，致使流经10%NaOH溶液后的气体仍然残留较多的CO2，即使不流经酵母菌培养液也能使澄清石灰水快速变浑浊或使BTB变色；而使用洗耳球的主要不足是需要在吹气和吸气之间不断进行转换，而频繁的转换容易引发错误操作导致出现液体倒吸现象。

为了弥补该装置的不足，笔者联合课题组成员将化学实验中的“排水集气法”与生物学实验中的“洗脱法”[2]协调结合，创设可以调速的自动充气装置，具体制作方法是： ①先将空置的输液袋注满500 mL水，再从袋塞处插入输液管插头，最后将水袋置于铁架台的可调控高度的铁架上；②选用500 mL细口瓶和配套瓶塞，并将瓶塞用打孔器打出双孔，两孔均倒插入一段带针帽接头的0.5 mL注射器针筒(针帽接头向上)；③剪去2号注射针的针管，取其针帽与待连接的充气软管入口配接，制得可直接套接在注射器出口上的接头(图1)。

使用该充气装置的优点： ①可在水袋高度、输液管控制阀、针帽出口大小(通过针号控制)多个层面上调控适宜的充气速率，以便获得理想的实验结果；②实现连续的自动充气，以便集中精力观察实验现象。

2 协调生物学和物理实验，改进结果检测方法

2.1 酒精检测方法的创新 教材提供的酒精检测方法是： 首先将酵母菌培养液用滤纸进行过滤，然后取2 mL过滤液注入干净的试管中，最后向试管中滴加0.5 mL溶有0.1 g重铬酸钾的浓硫酸溶液，轻轻振荡混匀，再观察试管中溶液的颜色变化。然而该方法要能得到正确的实验结果，需要极其苛刻的条件——培养液中的葡萄糖必须被酵母菌彻底耗尽，否则残留的葡萄糖会使酸性重铬酸钾发生与酒精类似的颜色变化，而要满足此条件，需将实验持续进行8～10 h，这是正常教学秩序下的高中学生难以实施的操作活动。如何在有残留葡萄糖的情况下检测酒精是广大高中生物学教师迫切希望突破的实验瓶颈。许多教师长期不懈的探索，虽然提出了一些新的方法，如用酸性重铬酸钾检测培养液的蒸馏液，或用酒精检测仪检测培养液等，但是上述方法由于要求产生足够多的酒精因而无法摆脱课前培养的束缚，导致实验结果的可信度降低，采用什么方法才能够做到在课堂上现场培养、现场检测呢？

经过课题组成员的共同努力，笔者将物理学的“酒精汽化”实验[3]、生物学的“平板倒置培养”实验与本实验进行协调，创设用酸性重铬酸钾直接检测酒精蒸气的方法。该方法的具体操作步骤是： ①选用盖玻片盒盖作为蘸载少量酸性重铬酸钾的容器，选用载玻片作为检测操作时拿捏的抓手，选用502胶水将盒盖外底面与载玻片一端粘合成检测酒精蒸气的工具(图2)；②先用玻璃棒蘸取少量教材配方的酸性重铬酸钾，再点蘸于盒盖中央的圆圈内。③往1 000 mL烧杯中注入900 mL 90℃水，将刚结束培养的有氧、无氧酵母培养液试管放入烧杯中保温，同时将检测工具套扣在试管口上，观察其上重铬酸钾的颜色变化。

图2 检测酒精气体的工具

该方法的优点是： ①无论有无残留葡萄糖，有氧呼吸检测不变色、无氧呼吸检测变绿色的现象十分明显；②15 mL教材配方的酵母菌葡萄糖培养液，在接近40℃的温度下培养10 min，就能得到预期的检测结果，从而使得整体实验只要用15 min左右的时间就能全部完成，实现了实验检测的当堂化。

2.2 氧气检测方法的创设 有氧呼吸消耗O2，产生CO2和H2O。因此，检测O2的消耗，比较消耗O2、产生CO2的体积量关系，也应成为探究活动的内容之一。在课题组成员的协助下，笔者在协调物理“气体压强”与生物学“比较H2O2在不同条件下分解”两实验的基础上，增设耗氧检测活动，其具体操作是： 取两支20 mL注射器，一支吸入5 mL死酵母菌培养液和20 mL O2，一支吸入5 mL活酵母菌培养液和20 mL O2，在相同且适宜的条件下培养15 min(教学中可与细胞呼吸实验同步进行)，再借助医院注射用的三通阀，将两注射器内气体推入另外两个洁净的注射筒内，并插入带火星的卫生香，观察比较复燃情况，得出是否消耗O2；在实验已经得出消耗O2和产生CO2的基础上，关闭自创充气装置的控制阀而暂停充气，观察位于石灰水或BTB中的导管口有无气泡，进而得出有氧呼吸试管内的气压是否改变，并最终得出前述体积量的关系。

上述改进，虽然解决了探究活动中的一些问题，但是，对于无氧呼吸实验中连通石灰水或BTB时间节点的把控、沉积于无氧呼吸装置中的CO2全部及时排出的方法等问题，还有待进一步探索。