細(xì)胞代謝實(shí)驗(yàn)中相關(guān)裝置和材料的巧處理

高考理綜能力測(cè)試加強(qiáng)了對(duì)生物實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾椤＜?xì)胞代謝是高考必考內(nèi)容之一，該內(nèi)容多以實(shí)驗(yàn)為背景，一方面可以考察學(xué)生的掌握程度，另一方面也可考察學(xué)生對(duì)生物實(shí)驗(yàn)的處理能力，所以細(xì)胞代謝實(shí)驗(yàn)一直備受高考命題人的青睞。

細(xì)胞代謝實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中要面臨諸多考慮。其一，要考慮實(shí)驗(yàn)變量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)變量分為自變量和無(wú)關(guān)變量，自變量所引起的因變量是我們所要研究的，而無(wú)關(guān)變量所引起的額外變量因其對(duì)所要研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響則要避免。其二，要考慮此裝置可否借雞生蛋或者借尸還魂轉(zhuǎn)換成研究其他實(shí)驗(yàn)的裝置。例如，研究細(xì)胞光合作用的裝置可否轉(zhuǎn)換為研究細(xì)胞呼吸作用的裝置？同樣，研究細(xì)胞呼吸作用的裝置可否轉(zhuǎn)換為研究細(xì)胞光合作用的裝置？其實(shí)，不管是為了排除無(wú)關(guān)變量對(duì)因變量的影響或者是實(shí)驗(yàn)裝置的相互轉(zhuǎn)換，我們都可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置或材料的處理來(lái)達(dá)到目的。

一、排除無(wú)關(guān)變量或因素對(duì)因變量的影響

細(xì)胞代謝的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，個(gè)人認(rèn)為根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)裝置或材料可采用以下兩種處理方法來(lái)排除其內(nèi)在和外在的干擾因素。

1.內(nèi)排——饑餓法和酒精水浴法

[例1]采用“半葉法”對(duì)番茄葉片的光合作用產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定，其原理是：先將番茄葉片放在暗處幾小時(shí)，然后將對(duì)稱(chēng)葉片的一部分遮光，另一部分不做處理，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，把葉片放入酒精中進(jìn)行水浴加熱，用碘蒸氣處理對(duì)應(yīng)部位截取同等面積的葉片，則成功地證明番茄葉片在光合作用中產(chǎn)生了淀粉?；卮鹨韵聠?wèn)題：

（1）該實(shí)驗(yàn)中將番茄葉片先放在暗處幾小時(shí)的目的是什么？

（2）該實(shí)驗(yàn)中將番茄葉片放入酒精中進(jìn)行水浴加熱的目的是什么？

分析：本題是驗(yàn)證番茄葉片在光合作用中產(chǎn)生了淀粉，但所選的番茄葉片如不加以處理，葉片中原有的淀粉就會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以實(shí)驗(yàn)一開(kāi)始就要對(duì)番茄葉片處理，放在暗處使其饑餓幾小時(shí)。通過(guò)番茄葉片長(zhǎng)時(shí)間的呼吸作用消耗掉原有的淀粉，即可排除其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。遮光的對(duì)照組和曝光的實(shí)驗(yàn)組經(jīng)過(guò)一段時(shí)間處理后，可預(yù)知有無(wú)淀粉產(chǎn)生。但為了增加實(shí)驗(yàn)的可信度和說(shuō)服力，需要用碘蒸氣和淀粉的顏色反應(yīng)來(lái)檢測(cè)。由于葉片中的葉綠素的存在會(huì)對(duì)該顏色反應(yīng)產(chǎn)生干擾，所以在檢測(cè)之前要用酒精水浴法除去葉片中的葉綠素，排除葉綠素對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾。

參考答案：

（1）消耗番茄葉片中原來(lái)的淀粉，排除其對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。

（2）除去葉片中的葉綠素，排除色素對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾。

2.外排——死活代替法

無(wú)論是光合作用還是細(xì)胞呼吸的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，都會(huì)遇到一些外在的無(wú)關(guān)因素如微生物、溫度等無(wú)關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，對(duì)此可用死活代替法來(lái)加以消除。

[例2]圖1中的實(shí)驗(yàn)裝置用于測(cè)量大麥種子的呼吸速率。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，用夾子夾緊橡皮管并使圖中U形管內(nèi)兩側(cè)有色液體均處于“0”標(biāo)志位。在25℃條件下兩套裝置都靜置1h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

（1）裝置中加入NaOH溶液的目的是什么？

（2）裝置B中對(duì)大麥種子進(jìn)行滅菌處理的目的是什么？裝置B中有色液體的變化可能是什么造成的？設(shè)置B裝置的目的是什么？

[例3]下圖為測(cè)定光合作用速度的裝置，在密封的試管內(nèi)放一新鮮葉片和二氧化碳緩沖液，試管內(nèi)氣體體積的變化可根據(jù)毛細(xì)玻璃刻度管內(nèi)紅色液滴移動(dòng)距離測(cè)得。在不同強(qiáng)度的光照條件下，測(cè)得的氣體體積如圖2所示。

（1）裝置中加入CO2緩沖液（或NaHCO3溶液）的目的是什么？

（2）為了防止無(wú)關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，本實(shí)驗(yàn)還應(yīng)設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)組裝置的區(qū)別是。如果對(duì)照組在相同光照情況下，刻度管中的紅色液滴較之實(shí)驗(yàn)組向右移了一段距離，其原因是什么？

分析：例2是關(guān)于細(xì)胞呼吸的實(shí)驗(yàn)，種子在萌發(fā)時(shí)消耗有機(jī)物產(chǎn)生CO2。裝置中的NaOH溶液在吸收CO2后，會(huì)引起裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)的變化，故可以根據(jù)有色液滴的移動(dòng)方向和距離判斷出細(xì)胞呼吸的類(lèi)型、強(qiáng)度、呼吸商等。例3是關(guān)于光合作用的實(shí)驗(yàn)，植物在光合作用時(shí)，要消耗CO2產(chǎn)生有機(jī)物和O2。裝置中的CO2緩沖液（或NaHCO3溶液）就起到了提供CO2的作用。CO2的提供不會(huì)改變?cè)b置中的氣體壓強(qiáng)，但產(chǎn)生的O2會(huì)增加裝置中的氣體壓強(qiáng)，所以可根據(jù)裝置中紅液滴的移動(dòng)方向和距離判斷出光合作用強(qiáng)度的大小。

例2和例3的第2問(wèn)，都是為了排除外部無(wú)關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。無(wú)論是何種細(xì)胞代謝，都會(huì)不可避免地受到如微生物的呼吸作用、溫度變化引起氣體膨脹等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。處理方法就是將裝置中活的實(shí)驗(yàn)對(duì)象用消毒滅菌的死的實(shí)驗(yàn)對(duì)象代替，如例2裝置B中滅菌的死大麥種子。

參考答案：

例2（1）吸收CO2；（2）防止細(xì)菌呼吸作用產(chǎn)生或吸收的氣體影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；由于外界環(huán)境氣壓發(fā)生變化；對(duì)照（排除物理因素引起的氣體熱膨脹對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾）。

例3（1）提供CO2；（2）新鮮葉片改為經(jīng)消毒的死葉片；環(huán)境物理因素（如溫度變化等）或葉表面的微生物的呼吸作用對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

二、兩種代謝間的相互轉(zhuǎn)換或排除相關(guān)的影響

在細(xì)胞代謝相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，往往是將兩種代謝綜合在一起加以研究的，這就要考慮兩種代謝裝置之間的相互轉(zhuǎn)換或者兩種代謝之間相互影響。

1.遮光法或黑白瓶法

[例4]下圖是利用溶氧量變化來(lái)測(cè)定黃瓜葉片光合速率的裝置。實(shí)驗(yàn)在最適溫度下進(jìn)行，反應(yīng)杯的溶液中加入少量NaHCO3是為了提供CO2。請(qǐng)回答：

實(shí)驗(yàn)中將抽空氣體的黃瓜葉片放入反應(yīng)杯內(nèi)，隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，葉片上浮，溶氧量增加，記錄儀讀數(shù)變大。同樣，該法也可用于葉片呼吸強(qiáng)度的測(cè)定，只需對(duì)反應(yīng)杯________。

分析：本裝置是研究光合作用的，但稍加改進(jìn)就可研究細(xì)胞呼吸。此裝置中黃瓜葉片在光合作用的同時(shí)又進(jìn)行細(xì)胞呼吸，若要研究細(xì)胞呼吸或排除光合作用對(duì)細(xì)胞呼吸的影響，只需遮光處理即可。

此外，與遮光法異曲同工的還有用于研究水生生態(tài)系統(tǒng)黑白瓶法。所謂白瓶就是透光瓶，瓶里面裝的從池塘、湖泊或海水的一定深度采集含有自養(yǎng)生物（如藻類(lèi)）的水樣（水樣中難免也含有某些異養(yǎng)生物如細(xì)菌和浮游生物等）可進(jìn)行光合作用和細(xì)胞呼吸；所謂黑瓶就是不透光瓶，里面不能進(jìn)行光合作用，只進(jìn)行細(xì)胞呼吸。黑瓶和白瓶同時(shí)被懸浮在水體中水樣所在的深度，放置一定時(shí)間后便從水體中取出，用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)滴定法或電子檢測(cè)器測(cè)定出黑瓶和白瓶中的含氧量，再根據(jù)兩瓶中含氧量的變化確定出光合作用量。

參考答案：遮光。

2.溶液置換法

[例5]某轉(zhuǎn)基因作物有很強(qiáng)的光合作用強(qiáng)度。某中學(xué)生物興趣小組在暑假開(kāi)展了對(duì)該轉(zhuǎn)基因作物光合強(qiáng)度測(cè)試的研究課題，設(shè)計(jì)了如下裝置。請(qǐng)你利用下列裝置完成光合作用強(qiáng)度的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并分析回答有關(guān)問(wèn)題。

（1）測(cè)定植物的呼吸作用強(qiáng)度，方法步驟是：

①__________________②____________________

③30分鐘后分別記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動(dòng)的方向和刻度。

（2）測(cè)定植物的凈光合作用強(qiáng)度，方法步驟是：

①_________________②_____________________

③30分鐘后分別記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動(dòng)的方向和刻度。

分析：本題以裝置圖為信息載體，綜合考查光合作用和呼吸作用。通過(guò)相同的裝置分析可知，測(cè)定植物的呼吸作用強(qiáng)度和光合作用的不同在于裝置D中所放入的液體的不同。若該裝置測(cè)定細(xì)胞呼吸作用強(qiáng)度時(shí)，甲乙兩裝置的D中都放入NaOH溶液，吸收二氧化碳，因此液滴的移動(dòng)就來(lái)自于氧氣的吸收量，液滴向左移動(dòng)；此外還要排除光合作用的影響。若該裝置測(cè)定植物的凈光合作用強(qiáng)度時(shí)，甲乙兩裝置的D中都放入NaHCO3溶液，提供原料二氧化碳，因此液滴的移動(dòng)就來(lái)自于氧氣的釋放量，液滴向右移動(dòng)，同時(shí)提供光合作用發(fā)生的適宜條件。

參考答案：

（1）①甲、乙兩裝置的D中分別放入NaOH溶液，裝置乙作對(duì)照組；②將裝置甲、乙的玻璃鐘罩進(jìn)行遮光處理，放在溫度等條件相同的環(huán)境中。

（2）①甲、乙兩裝置的D中分別放入NaHCO3溶液，裝置乙作對(duì)照組；②將裝置甲、乙放在光照充足、溫度相同的環(huán)境中。

但有些題目不能生搬硬套完全照搬以上的方法，這就要根據(jù)題目中裝置的實(shí)際情況靈活運(yùn)用以上方法，做到觸類(lèi)旁通，能夠舉一反三。

[例6]光是影響植物光合作用的主要因素。但不知光是否影響植物的呼吸作用。甲同學(xué)所用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，并設(shè)置A、B兩組。A組給予植物適宜強(qiáng)度的光照，B組不給光照。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，刻度玻璃管內(nèi)的有色液滴在位置X。20分鐘后觀察A、B兩組有色液滴的移動(dòng)情況（呼吸作用以葡萄糖為原料，不考慮氣體在水中的溶解）。乙同學(xué)認(rèn)為甲達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要?duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)：

（1）_________________________________

（2）_________________________________

分析：裝置若探究光對(duì)呼吸作用的影響是不科學(xué)的，原因有二：其一，由于綠色植物在有光條件下既進(jìn)行光合作用又進(jìn)行呼吸作用，選擇該綠色植物無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此必須對(duì)綠色植物加以代替。但又不能用真正死的植物來(lái)代替，否則實(shí)驗(yàn)同樣無(wú)法進(jìn)行。此時(shí)，可選用“假死植物”來(lái)代替活植物。這里的“假死植物”實(shí)際上就是摘除葉片的植物或者直接將該綠色植物直接換成不能進(jìn)行光合作用的器官。其二，由于植物進(jìn)行呼吸作用消耗氧氣同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳，無(wú)法判斷液滴移動(dòng)方向，因此需要消除其中一個(gè)氣體量，以便能確定移動(dòng)方向，容易消除的為CO2，可以選擇NaOH溶液吸收產(chǎn)生的CO2或者選擇NaHCO3緩沖液保持容器內(nèi)CO2的平衡。

參考答案：

（1）將綠色植物換成不能進(jìn)行光合作用的植物器官或?qū)⑵淙~片摘除。

（2） 將清水換成NaOH溶液或NaHCO3緩沖液。

綜上例題，可對(duì)細(xì)胞代謝中實(shí)驗(yàn)裝置或材料的處理進(jìn)行歸納總結(jié)：饑餓法和酒精水浴法——除去淀粉和葉綠素；死活代替法——除去微生物、溫度等無(wú)關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾；遮光法或黑白瓶法——研究細(xì)胞呼吸或排除光合作用對(duì)細(xì)胞呼吸的影響；溶液置換法——確定細(xì)胞代謝的類(lèi)型。在高三復(fù)習(xí)中，要引導(dǎo)學(xué)生掌握這些處理方法，使其能夠在細(xì)胞代謝的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中靈活運(yùn)用，提高其生物實(shí)驗(yàn)處理能力。

（責(zé)任編輯 楊 子）