探究細胞的呼吸

殷國杰

摘 要：細胞呼吸是指有機物在細胞內經過系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產物，釋放出能量并生成ATP的過程[1]。廣義上細胞呼吸分為有氧呼吸、無氧呼吸兩種方式。本文主要以酵母菌的細胞呼吸為例，對其進行淺顯的探究。

關鍵詞：有氧呼吸 無氧呼吸 酵母菌

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2019）02-0-01

細胞呼吸對于生命有著重要的意義，在這一過程中最終會產生能量和ATP，為生物提供生存的物質。本文首先對細胞呼吸進行簡要的介紹。

一、有氧呼吸

有氧呼吸是指細胞在有氧氣的情況下，通過細胞內多種酶的催化，把葡萄糖等有機物徹底地進行氧化分解后產生水和二氧化碳，釋放能量且生成大量ATP的過程。ATP是腺嘌呤核苷三磷酸的簡稱，是一種不穩定的高能化合物，水解時可以釋放大量能量，是生物體內最直接的能量來源。有氧呼吸的特點是有氧的參與和徹底氧化分解。

1.反應過程

首先在細胞質的基質中，葡萄糖分解成兩個分子的丙酮酸，釋放出少量的能量，并不需要氧的參與。接著丙酮酸進入細胞的線粒體基質中，將部分活化氫脫下，分解成二氧化碳和部分能量，這一階段也不需要氧的參與。最后在線粒體內膜上，外界的氧和前兩個階段的活化氫結合生成大量水，釋放大量能量并且合成ATP。

2.總反應式

大量能量

二、無氧呼吸

與有氧呼吸相比，無氧呼吸并不能將有機物完全氧化，在酶的作用下會產生乳酸或者酒精。

1.反應過程

無氧呼吸分為兩個階段，第一個階段和有氧呼吸相同，在細胞質基質中將葡萄糖分解成丙酮酸，釋放少量能量。第二個階段是在細胞質基質中通過酶的參加，丙酮酸分解成酒精和二氧化碳，也有可能轉化為乳酸。

2.總反應式

酶 （乳酸） 或

酶 （酒精）+2CO2

三、以酵母菌為例探究細胞呼吸

酵母菌是一種單細胞真菌，能夠將糖發酵為酒精和二氧化碳，在有氧和無氧的條件下都可以存活，且酵母菌相對來說比較好收集，方便用于實驗研究。

首先我們要清楚酵母菌在進行有氧呼吸和無氧呼吸時產生的效果是如何的，這樣才能用對照實驗驗證我們的猜想。已知酵母菌在有氧呼吸的情況下，消耗的氧氣和生成的二氧化碳體積相同，無氧呼吸時則不消耗氧氣產生二氧化碳，所以酵母菌在實驗時無氧呼吸會使原來的氣體體積變大，有氧呼吸則不會[2]。

1.準備

實驗器具為干酵母菌5g，100mL5%的葡萄糖溶液，澄清石灰水溶液，0.2g/mL的酸性重鉻酸鉀溶液，燒杯，滴管，試管，溫度計，100mL注射器，帶彈簧夾的橡皮膠管，集氣瓶和蒸餾水。

為了更好地進行觀察，我們將設置兩個實驗組和一個對照組，分為有氧組，無氧組和對照組。其中澄清石灰水可以驗證是否存在二氧化碳，若有二氧化碳的存在，澄清石灰水會變渾濁；酸性重鉻酸鉀溶液可以驗證酒精的生成，如果沒有生成酒精，那么酸性重鉻酸鉀溶液還是橙黃色，如果生成酒精，那么酸性重鉻酸鉀溶液則會發生變色反應成為灰綠色。

分別用有氧組和無氧組的注射器吸入30mL的酵母菌培養液（干酵母菌放在葡萄糖溶液中用25℃左右的熱水水浴加熱活化20分鐘），對照組注射器僅僅吸入同樣體積的葡萄糖溶液。

有氧組：用注射器吸入50mL的空氣后用橡皮圈將注射口密封，用夾緊彈簧夾的橡皮膠管連接裝有澄清石灰水的燒杯液體。

無氧組：將裝有30mL酵母菌培養液的注射器內空氣排出，也同有氧組一樣用夾緊彈簧夾的橡皮膠管連接裝有澄清石灰水的燒杯液體。

對照組：將裝有30mL葡萄糖溶液的注射器內空氣排出，也同兩組實驗組一樣用夾緊彈簧夾的橡皮膠管連接裝有澄清石灰水的燒杯液體。

2.實驗

準備工作完成后將對三組注射器進行水浴加熱，以便加快實驗進程，溫度在50℃左右，時間在15分鐘左右。

加熱過后對三組注射器進行觀察。

有氧組：注射器活塞沒有變化。

無氧組：注射器活塞明顯向外移動。

對照組：注射器活塞沒有變化。

打開三組彈簧夾，發現有氧組和無氧組的澄清石灰水都變渾濁，無氧組渾濁程度略重，對照組澄清石灰水沒有變化。

再將三組注射器中的溶液取5mL與酸性重鉻酸鉀溶液一同放置于試管中并振蕩，觀察顏色反應，得出有氧組和對照組均未出現顏色變化，無氧組中溶液呈灰綠色。

3.結論

得到結論即為酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸均能產生二氧化碳[3]，且有氧呼吸時消耗的氧氣和產生的二氧化碳的體積基本相同。

酵母菌有氧呼吸并不產生酒精，無氧呼吸時則產生酒精。

高中生物的學習首先在于將教材的內容熟記于心，然后再揉入自己的思考。教材中的實驗都非常經典，能夠給我們一種直觀的視覺沖擊。有條件時多做實驗，在具體的實驗操作過程中將會再一次加深我們對知識點的印象。例如上文中對細胞呼吸情況的討論，書中僅僅說明了有氧呼吸和無氧呼吸的反應過程，反應場所和反應后生成的物質，多種反應很容易記混。但是通過對酵母菌呼吸作用的實驗，就可以直觀地得出無氧呼吸產生了酒精，且無氧呼吸和有氧呼吸都產生了二氧化碳。但這個實驗也有不完美之處，無氧呼吸產生的乳酸該通過什么樣的實驗才能證明呢？實驗是否真的控制了變量呢？這就需要更專業的生物知識和生物實驗了，而這種不斷探索的過程也正是生物的魅力所在。

參考文獻

[1]朱正威，趙占良，張怡.普通高中課程標準生物必修1.人民教育出版社，2007：91-96.

[2]郭愛平.探究酵母菌細胞呼吸的經典實驗[J].生物學通報，2017，52（5）：43-44.

[3]陸奇，蔣選榮，萬曉安.探究酵母菌細胞呼吸方式的實驗改進[J].生物學教學，2008，33（8）：43.