酵母菌是一類單細胞真菌，它與人類的生活息息相關(guān)。做饅頭、面包，釀酒等，都是利用酵母菌的呼吸作用。

呼吸作用的實質(zhì)是細胞內(nèi)的有機物氧化分解，并釋放能量，因此也叫細胞呼吸（cell respiration）。

細胞呼吸的方式

細胞呼吸是否都需要氧？生物在有氧和無氧條件下是否都能進行細胞呼吸呢？

探究·實踐

探究酵母菌細胞呼吸的方式

酵母菌在有氧和無氧的條件下都能生存，屬于兼性厭氧菌，因此便于用來研究細胞呼吸的不同方式。

在本探究活動中，你需要設(shè)計和進行對比實驗，分析有氧和無氧條件下酵母菌細胞呼吸的情況。

提出問題

1.說一說你了解哪些有關(guān)酵母菌的知識。

2.想一想關(guān)于酵母菌細胞呼吸的方式，自己有哪些不清楚的地方，提出要探究的問題。

參考案例

有一位同學(xué)知道酵母菌能使葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，但是不清楚這一過程是在有氧還是在無氧條件下進行的；另一位同學(xué)知道酵母菌的細胞呼吸會產(chǎn)生CO2，但是不知道不同條件下產(chǎn)生的CO，是否一樣多。

作出假設(shè)

根據(jù)自己已有的知識和生活經(jīng)驗，針對所提出的問題作出假設(shè)。

設(shè)計實驗

先確定實驗的總體思路，再逐步細化，寫出包括材料用具和方法步驟在內(nèi)的實驗方案。請?zhí)貏e關(guān)注以下問題。

1.怎樣控制有氧和無氧的條件？

2.怎祥鑒定有無酒精產(chǎn)生？怎樣鑒定有無CO2產(chǎn)生？如何比較CO2產(chǎn)生的多少？

3.怎樣保證酵母菌在整個實驗過程中能正常生活？

參考資料

1.酵母菌培養(yǎng)液的配制取20g新鮮的食用酵母菌，分成兩等份，分別放入錐形瓶A(500mL）和錐形瓶B（500mL）中。分別向瓶中注入240mL質(zhì)量分數(shù)為5%的葡萄糖溶液。

2.檢測CO2的產(chǎn)生 用錐形瓶和其他材料用具組裝好實驗裝置（如下圖），并連通橡皮球（或氣泵），讓空氣間歇性地依次通過3個錐形瓶（約50 min）。然后將實驗裝置放到25-35℃的環(huán)境中培養(yǎng)8~10h。有條件的學(xué)?？梢杂肅O，傳感器。

CO，可使澄清的石灰水變混濁，也可使澳香草酚藍溶液由藍交綠再變黃。根據(jù)石灰水混濁程度或溴麝香草酚藍溶液變成黃色的時間長短，可以檢測酵母菌培養(yǎng)液中CO2的產(chǎn)生情況。想一想，除了這兩種檢測方法，還有沒有其他方法？

3.檢測酒精的產(chǎn)生橙色的重銘酸鉀溶液在酸性條件下與乙醇（俗稱酒精）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變成灰綠色。具體做法是：各取2mL酵母菌培養(yǎng)液的濾液，分別注入2支干凈的試管中。向試管中分別滴加0.5mL溶有0.1g重銘酸鉀的濃硫酸溶液（質(zhì)量分數(shù)為95%~97%）并輕輕振蕩，使它們混合均勻。觀察試管中溶液的顏色變化。由于葡萄糖也能與酸性重銘酸鉀反應(yīng)發(fā)生顏色變化，因此，應(yīng)將酵母菌的培養(yǎng)時間適當(dāng)延長以耗盡溶液中的葡萄糖。

進行實驗

請老師對實驗方案提出意見，待老師認可后開始做實驗。由于實驗需要時間較長，觀察的項目和次數(shù)要事先計劃好，并做好記錄。

警示：濃硫酸有腐蝕性，向試管中滴加濃

硫酸時要緩慢、小心。

得出結(jié)論、交流討論

根據(jù)實驗結(jié)果得出本小組的結(jié)論。然后，用簡明而科學(xué)的語言，說出酵母菌的細胞呼吸有幾種方式，每種方式的條件和產(chǎn)物有什么區(qū)別。

8科學(xué)方法

對比實驗

設(shè)置兩個或兩個以上的實驗組，通過對結(jié)果的比較分析，來探究某種因素對實驗對象的影響，這樣的實驗叫作對比實驗，也叫相互對照實驗。在本節(jié)課的探究活動中，需要設(shè)置有氧和無氧兩種條件，探究酵母菌在不同氧氣條件下細胞呼吸的方式，這兩個實驗組的結(jié)果都是事先未知的，通過對比可以看出氧氣條件對細胞呼吸的影響。對比實驗也是科學(xué)探究中常用的方法之一。

酵母菌在有氧和無氧條件下都能進行細胞呼吸。在有氧條件下，酵母菌通過細胞呼吸產(chǎn)生大量的二氧化碳和水；在無氧條件下，醇母菌通過細胞呼吸產(chǎn)生酒精，還產(chǎn)生少量的二氧化碳。

科學(xué)家根據(jù)大量的實驗結(jié)果得出結(jié)論：細胞呼吸可分為有氧呼吸（aerobic respiration）和無氧呼吸（anaerobic respiration）兩種類型。

有氧呼吸

對于絕大多數(shù)生物來說，有氧呼吸是細胞呼吸的主要形式，這一過程必須有氧的參與。有氧呼吸的主要場所是線粒體。線粒體具有內(nèi)、外兩層膜，內(nèi)膜的某些部位向線粒體的內(nèi)腔折疊形成嵴，嵴使內(nèi)膜的表面積大大增加（圖5-8）。嵴的周圍充滿了液態(tài)的基質(zhì)。線粒體的內(nèi)膜上和基質(zhì)中含有許多種與有氧呼吸有關(guān)的酶。

有氧呼吸最常利用的物質(zhì)是葡萄糖，

有氧呼吸的全過程十分復(fù)雜，可以概括地分為三個階段，每個階段的化學(xué)反應(yīng)都有相應(yīng)的酶催化。

第一個階段是，1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸，產(chǎn)生少量的[H]，并且釋放出少量的能量。這一階段不需要氧的參與，是在細胞質(zhì)基質(zhì)中進行的。

第二個階段是，丙酮酸和水徹底分解成二氧化碳和[]，并釋放出少量的能量。這一階段不需要氧直接參與，是在線粒體基質(zhì)中進行的。

第三個階段是，上述兩個階段產(chǎn)生的[H]，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)，與氧結(jié)合形成水，同時釋放出大量的能量。這一階段需要氧的參與，是在線粒體內(nèi)膜上進行的。

概括地說，有氧呼吸是指細胞在氧的參與下，通過多種酶的催化作用，把葡萄糖等有機物徹底氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，釋放能量，生成大量ATP的過程。同有機物在生物體外的燃燒相比，有氧呼吸具有不同的特點：有氧呼吸過程溫和；有機物中的能量經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)逐步釋放；這些能量有相當(dāng)一部分儲存在ATP中。

思考·討論

有氧呼吸的能量利用特點

1.在細胞內(nèi)，1mol葡萄糖徹底氧化分解可以釋放出2870kJ的能量，可使977.28KJ左右的能量儲存在ATP中，其余的能量則以熱能的形式散失掉了。請你計算一下，有氧呼吸的能量轉(zhuǎn)化效

率大約是多少，這些能量大約能使多少ADP

轉(zhuǎn)化為ATP？

2.與燃燒迅速釋放能量相比，有氧呼吸是逐級釋放能量的，這對于生物體來說具有什么意義？

無氧呼吸

除酵母菌以外，還有許多種細菌（如乳酸菌）能夠進行無氧呼吸。此外，馬鈴薯塊莖、水稻根、蘋果果實等植物器官的細胞以及動物骨骼肌的肌細胞等，除了能夠進行有氧呼吸，在缺氧條件下也能進行無氧呼吸。一般地說，無氧呼吸最常利用的物質(zhì)也是葡萄糖。

無氧呼吸的全過程，可以概括地分為兩個階段，這兩個階段需要不同酶的催化，但都是在細胞質(zhì)基質(zhì)中進行的。

第一個階段與有氧呼吸的第一個階段完全相同。第二個階段是，丙酮酸在酶（與催化有氧呼吸的酶不同）的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳，或者轉(zhuǎn)化成乳酸。無論是分解成酒精和二氧化碳或者是轉(zhuǎn)化成乳酸，無氧呼吸都只在第一階段釋放出少量的能量，生成少量ATP。葡萄糖分子中的大部分能量則存留在酒精或乳酸中。

酵母菌、乳酸菌等微生物的無氧呼吸也叫作發(fā)酵。產(chǎn)生酒精的叫作酒精發(fā)酵，產(chǎn)生乳酸的叫作乳酸發(fā)酵。像這樣，在沒有氧氣參與的情況下，葡萄糖等有機物經(jīng)過不完全分解，釋放少量能量的過程，就是無氧呼吸。

有氧呼吸和無氧呼吸都屬于細胞呼吸。細胞呼吸是指有機物在細胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放能量并生成ATP的過程。所有生物的生存，都離不開細胞呼吸釋放的能量。

細胞呼吸除了能為生物體提供能量，還是生物體代謝的

樞紐。例如，在細胞呼吸過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，可轉(zhuǎn)化為甘油、氨基酸等非糖物質(zhì)；非糖物質(zhì)代謝形成的某些產(chǎn)物與細胞呼吸中間產(chǎn)物相同，這些物質(zhì)可以進一步形成葡萄糖。蛋白質(zhì)、糖類和脂質(zhì)的代謝，都可以通過細胞呼吸過程聯(lián)系起來。

細胞呼吸原理的應(yīng)用

請你分析下面的資料，了解細胞呼吸的原理在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。

思考·討論

細胞呼吸原理的應(yīng)用

包扎傷口時，需要選用透氣的消毒紗布或“創(chuàng)可貼”等敷料。

利用麥芽、葡萄、糧食和酵母菌以及發(fā)酵罐等，在控制通氣的情況下，可以生產(chǎn)各種酒。

花盆里的土壤板結(jié)后，空氣不足，會影響根系生長，需要及時松土透氣。

儲藏水果、糧食的倉庫，往往要通過降低溫度、降低氧氣含量等措施，來減弱水果、糧食的呼吸作用，以延長保質(zhì)期。

破傷風(fēng)由破傷風(fēng)芽孢桿菌引起，這種病菌只能進行無氧呼吸。皮膚破損較深或被銹釘扎傷后，病菌就容易大量繁殖（遇到這種情況，需要及時到醫(yī)院治療）。

提侶慢跑等有氧運動的原因之一是：有氧運動能避免肌細胞因供氧不足進行無氧呼吸產(chǎn)生大量乳酸。乳酸的大量積累會使肌肉酸脹乏力。

細胞呼吸的原理在生活和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。生活中，饅頭、面包、泡菜等許多傳統(tǒng)食品的制作，現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)青霉素、味精等產(chǎn)品，都建立在對微生物細胞呼吸原理利用的基礎(chǔ)上。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，人們采取的很多措施也與調(diào)節(jié)呼吸作用的強度有關(guān)。例如，中耕松土、適時排水，就是通過改善氧氣供應(yīng)來促進作物根系的呼吸作用，以利于作物的生長；在儲藏果實、蔬菜時，往往需要采取降低溫度、降低氧氣含量等措施減弱果蔬的呼吸作用，以減少有機物的消耗。

思維訓(xùn)練

運用證據(jù)和邏輯評價論點

關(guān)于真核細胞線粒體的起源，科學(xué)家提出了一種解釋：約十兒億年前，有一種真核細胞吞噬了原始的需氧細菌，被吞噬的細菌不僅沒有被消化分解，反而在細胞中生存下來了。需氧細菌從宿主細胞那里獲取丙酮酸，宿主細胞從需氧細菌那里得到丙酮酸氧化分解釋放的能量。在共同生存繁衍的過程中，需氧細菌進化為宿主細胞內(nèi)專門進行細胞呼吸的細胞器。

以下哪些證據(jù)支持這一論點，哪些不支持這一論點？

1.線粒體內(nèi)存在與細菌DNA相似的環(huán)狀DNA。

2.線粒體內(nèi)的蛋白質(zhì)，有少數(shù)幾種由線粒體DNA指導(dǎo)合成，絕大多數(shù)由核DNA指導(dǎo)合成。

3.真核細胞內(nèi)的DNA有極高比例的核苷酸序列經(jīng)常不表現(xiàn)出譴傳效應(yīng)，線粒體DNA和細菌的卻不是這樣。

4.線粒體能像細菌一樣進行分裂增殖。