在进行《细胞呼吸的原理和应用》这节内容的教学中,从有氧呼吸过渡到无氧呼吸,我用的是教材中94页提供的信息作为教学环节的过渡语——“除酵母菌以外,还有许多种细菌(如乳酸菌)能够进行无氧呼吸。此外,马铃薯块茎、水稻根、苹果果实等植物器官的细胞以及动物骨骼肌的肌细胞等,除了能够进行有氧呼吸,在缺氧条件下也能进行无氧呼吸。”课后学生们提出了一些问题,我也趁机在第二节课回答他们问题的过程中进一步启发他们思考,让他们能够体会到生命世界既有普遍的共性,也存在着特殊的个性,这背后和进化、适应、基因都是有着紧密的联系,生命世界是复杂的,也还需要大家在未来的时间里去多多探索、发现,希望这种生物学的思想也能让他们在以后的日子里受益。现在复盘一下,也把有些内容进行了资料的扩充。
问题一:我们人和植物都属于需氧型生物,为什么还能进行无氧呼吸?
从生物进化的角度看,原始地球的大气不含氧气。那时候的生物的呼吸方式都为无氧呼吸。当蓝细菌等自养生物出现以后,大气中有了氧气,才出现了有氧呼吸。可见,有氧呼吸是在无氧呼吸的基础上发展而成的。需氧型生物主要进行有氧呼吸,但也可以在短时间内以无氧呼吸作为有氧呼吸供能不足的补充。这样的目的是在短暂低氧的情况下也可以用无氧呼吸作为供能的补充,暂时维持生命活动从而渡过缺氧危机。比如高等植物在遭遇水淹的情况下,可以在短时间进行无氧呼吸,将葡萄糖分解为酒精和二氧化碳,释放能量,合成少量ATP,以满足在缺氧条件下对能量的需求,但植物不能以无氧呼吸作为主要的供能方式,在水淹条件下长时间无氧呼吸就会产生酒精的积累,就对细胞造成毒害,细胞也会损伤甚至死亡。厌氧型生物只能以无氧呼吸作为唯一的呼吸方式,兼性厌氧型生物在有氧条件下进行有氧呼吸,在缺氧条件下也能够以无氧呼吸作为唯一的供能途径。
问题二:植物细胞的无氧呼吸产物都相同吗?
在细胞质基质中进行的呼吸作用第一阶段(糖酵解,这个没和学生主动提,不想增加他们负担),葡萄糖经过一系列酶促反应步骤分解成丙酮酸和[H](也就是还原型辅酶Ⅰ,NADH)。在缺氧条件下,丙酮酸在丙酮酸脱羧酶作用下,脱羧生成乙醛和二氧化碳,乙醛在乙醇脱氢酶的作用下被[H]还原成乙醇;在缺少丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶而含有乳酸脱氢酶的组织里,丙酮酸会被[H]还原为乳酸(如下图所示,图片来自《生物化学原理》P335)。可以看出,丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶是无氧呼吸途径中的关键酶。在动物体内不存在丙酮酸脱羧酶,因此动物细胞无氧呼吸的产物只有乳酸,在我们...内还有乙醇脱氢酶,可以分解乙醇,不能产生乙醇。
不同生物细胞无氧呼吸产物取决于自身的酶体系,动物细胞无氧呼吸的产物是乳酸,植物细胞无氧呼吸的产物是酒精和二氧化碳或乳酸。像马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚等体积大的延存器官含有乳酸脱氢酶,贮藏久了,会发生无氧呼吸产生乳酸。
问题三:马铃薯块茎、甜菜块根、玉米胚等植物细胞进行无氧呼吸时产生乳酸,那它们的根部细胞无氧呼吸产生的是什么呢?
学生从我的描述中推测,既然是特意强调了这几种植物的几个特别的器官无氧呼吸产生的是乳酸,那么这些植物的其他器官应该就是一般化的植物细胞的共性,就是产生乙醇。
问题四:为什么同一种植物可以进行两种不同类型的无氧呼吸?
通过之前核酸、细胞核的学习,大家知道绝大多数生物的遗传物质都是DNA,多细胞植物和我们人一样,也是由一个受精卵通过细胞的不断分裂而发展的,因此细胞当中的遗传物质是相同的,根据刚才提供资料的信息,就能推测出玉米、马铃薯、甜菜等植物细胞中可同时存在编码丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的基因,只是在不同的地方基因抢占表现的能力不同,也就是基因的选择性表达。(提前了一点给他们渗透了一下细胞分化的概念,通过反馈,他们好像在初中已经知道了一些基本的细胞分化的知识)。
其实不光是同种植物的不同细胞可以进行两种不同类型的无氧呼吸,同种细胞也可以进行两种不同类型的无氧呼吸。据研究报道,在涝胁迫(创造无氧环境)处理玉米幼苗根部,发现根部细胞中编码丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的基因均能表达,并能同时产生乙醇和乳酸;再如淹水处理条件下,甜樱桃砧木根系无氧呼吸也能同时产生乙醇和乳酸。以上研究均表明,在一些植物细胞中可同时进行两种无氧呼吸方式,即一种细胞的无氧呼吸产物可以有两种。又如在一些霉菌中,也存在两条代谢途径,目前,已有多篇文献报道米根霉能同时进行无氧呼吸中的两条代谢通路,产生乳酸和乙醇,说明在一些霉菌细胞中可以共存两种无氧呼吸方式。
生命系统是鲜活的,有生命的存在,它的组成具有独特性,结构和功能具有特殊性,系统的运行有规律也有特殊性,复杂性,所以在认识生命现象的时候,我们也要让学生认识到生命系统的独特特点,不是死板的,绝对的,而是动态的,具有生命特点的。