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「物質如何進出細胞」應該是國中生物第一個有「科學知識」的單元(之前的單元大多是常識),以前常用「紅血球泡在鹽水中和泡在蒸餾水中的變化」或「水蘊草等植物細胞的質壁分離」來說明,最近各版本紛紛用「做泡菜」來解釋滲透作用,這時在教學上出現很多現象無法解釋,於是今年自己再修改了一下實驗,結果衍生更多問題。以下是我對滲透的理解及疑問,提出來請教大家:

滲透的背景知識

滲透的定義可以用維基百科所說的:滲透是水分子經半透膜擴散的現象。它由高水分子區域(即低濃度溶液)滲入低水分子區域(即高濃度溶液),直到細胞內外濃度平衡(等張)為止。這裡的半透膜可以指物理性的半透膜如人工製的玻璃紙、腸膜、蛋膜等,原理是這些半透膜上有一定大小的孔所以大於這個孔的分子無法通過,而小於這個孔的分子可以通過,所以半透膜可以當成分子的篩子一樣,篩出大小不同的分子;但細胞膜又是另一個情形,物質能不能通過細胞膜除了分子大小外,還牽涉到分子的極性等,極性的分子、離子等需經過細胞膜上特殊的載體、通道才能通過(也就是國中課本所說的特殊蛋白質協助);國中課本大多會說:水、二氧化碳、氧(當然是溶於水後) 可以單純擴散通過,而鹽、糖、胺基酸等則都需要有特殊蛋白協助才能通過。而水則被認為可以單純擴散或經由水通道而進出細胞!

鹽(或糖)為何不能通過細胞膜?

在解釋「質壁分離或紅血球萎縮」時多數課本或老師會以「鹽(或糖)不能通過細胞膜」解釋,但其實我們有:鹽(或糖)要經特殊蛋白質協助才能通過細胞膜的說法,表示鹽(或糖)是可以通過的。而且學生依據生活經驗會說:「如果鹽(或糖)不能進入細胞被細胞利用,那我們吃鹽(或糖)做什麼?」、「為什麼鹽(或糖)會跑到腎臟去造成腎臟的負擔?」…所以「鹽(或糖)不能通過細胞膜」這個說法是不妥的!我自己會以「任何細胞上都有水分子通道,而且很多,但鹽(或糖)的通道很少而且多集中在某些細胞(如腎臟或小腸壁),所以水的移動相對量大而迅速,鹽(或糖)則幾乎沒有移動」來解釋,但我也不確定這樣講是否完善或正確或適合,請大家來提供專業的知識。

冬瓜條泡水的實驗

這次我將滲透實驗稍稍改了一下:實驗步驟及結果如下圖

當步驟2之後我問學生:你們預測泡清水和泡鹽水的冬瓜會發生什麼變化?很多學生說:「鹽水組會脫水、清水組會膨脹」、「濃度高往濃度低移動…(當我問哪邊較作濃度高…時就答不下去了)」、「ㄟ….就擴散啊….滲透啊…」,這些孩子也許已先學過了但一知半解,總是以專有名詞解釋事情(沒辦法---專有名詞是他們被要求記下的內容因為考試要考啊!),但也有很多孩子說:「鹽水組可以保存比較久不會爛掉…因為鹽可以殺菌啊…」,其中有一個答案是「鹽水組的冬瓜會變鹹、鹽會進到冬瓜內…」,我說:「你為何這樣想呢?」,學生說:「蘿蔔乾不是也這樣做的嗎?用鹽醃一醃會變鹹啊…」

從蘿蔔乾變鹹看滲透

說真的這樣的疑問很正常但也很難回答!前面實驗中泡清水組的冬瓜變硬、胖、長、重而且量桶的水變少,所以「泡清水的冬瓜會吸水」是無庸置疑的;而泡鹽水組的冬瓜變軟(可以把它弄彎)、瘦、短…所以「泡鹽水的冬瓜會脫水」也能接受,但泡鹽水的冬瓜到底會不會變鹹(鹽是否會進入細胞內)?則是無法確認的(重量並未減輕,反而從4.0變4.14,雖然應該是外面的的水重)!

蘿蔔乾變鹹是事實,鹽應該是有進入細胞內的,我猜測原因可能是:蘿蔔乾已經是死細胞,細胞膜早已破壞,無選擇性通透的能力了!所以應該只是單純的濃度差異問題,鹽從外界濃度高往蘿蔔細胞內(濃度低)擴散!所以鹽會不會進入植物細胞的關鍵點應該是:活細胞或死細胞!活細胞有選擇性通透,鹽不會(或很少量)進入;死細胞則依擴散原理,可以進入細胞內(其實應該只是細胞壁圍起來的框框內)。下次來做活細胞與細細胞的比較(ㄟ….還沒想到怎麼做)。

關於做泡菜另一個我很不解的地方是:為何總是用鹽巴而不是用鹽水?照理講「水溶液」不是比較容易發生滲透嗎?為什麼要用乾的鹽巴呢?我還是想不通,不知有人可以幫忙解答嗎?

氣室不是「東西」
氣室對學生而言是很難的概念,因為它不是「東西」,是一個位置、一個空間,學生對不是實體,無法看到、摸到的東西通常有很多誤解,比如曾有學生拿著黃金蛋問我:老師這個蛋的氣室在哪裡?這和課本設計的觀察活動及提問有關。
「蛋的觀察」中有一個重點是:找到鈍端…敲破蛋殼…小心除去蛋殼…觀察氣室。這樣的觀察方式是在一個前題下進行:氣室在鈍端,而且學生動作輕柔!通常學生剪破蛋殼看到的是有點下陷的殼膜,他很難想像這裡原來是充滿氣體的,所以被叫作氣室!
氣室一定在鈍端?
另一個需要釐清的是:氣室一定在鈍端嗎?這首先要從氣室的形成談起:教科書總是說:蛋白內的水向外蒸發,外面的空氣透過殼進入蛋內,集中形成氣室。所以八股考題是:氣室越大表示蛋放越久,越不新鮮!學生馬上問:剛生出來的蛋有氣室嗎?真是好問題!接著又有問題---為什麼在鈍端?因為那裏比較寬嗎?我說:因為現在蛋都裝在蛋盒裡,尖端在下鈍端在上,空氣往上移動,所以氣室在鈍端(我小時候常吃到氣室不在兩端而是在中間的蛋)。學生想到:那如果把蛋搖一搖再平放,她會跑到另一邊嗎?好問題!我們來搖搖看吧!可是要想辦法從蛋殼外就能看到氣室才行,這簡單,用手電筒照就解決了!於是一組發一隻有附燈光的原子筆,將教室燈關暗,用原子筆手電筒照蛋,觀察氣室的位置,用筆在蛋殼上畫下氣室的位置,把蛋在手掌心轉一轉、搓一搓,平放桌上,再用燈照!猜猜看!結果如何?這實驗告訴你:氣室會移動的,她不一定在鈍端!另外,這次因為有一個在卵腺內尚未生出的蛋(第三張圖),所以可以拿來觀察---剛生出的蛋真的沒有氣室,要有氣之後才會有室啊!


用手電筒觀察氣室時學生說:為什麼氣室看起來比較暗而不是比較亮?這個就可以由理化老師上場了!生物和理化真的有滿多可以合作的地方喔!
漂浮的繫帶如何固定卵黃?
課本對繫帶的描述就是這句「繫帶可以固定卵黃」,但觀察「繫帶」時你會發現他根本不連在膜或殼上,本身就是飄浮在卵白內的,這要如何固定卵黃?這也要從卵的形成過程來看,比較可能解決這個問題:我通常會用一個圓球(如橘子)代表從卵巢移出的卵細胞(黃金蛋),橘子外面包著一張透明紙(代表輸卵管分泌的蛋白質),當橘子滾動往前時(在輸卵管內移動),紙的兩端會被捲成螺旋狀,這就是繫帶;所以當卵在輸卵管內時,包裹在卵黃外面,且兩端絞緊的這一層蛋白質就能發揮固定卵黃的功能!所以說:「裹在外面的這層蛋白質(當然也包括繫帶)有固定卵的功能」較妥當吧!


雞佛傳說

這次觀察唯一未達成目的是「精子的觀察」,但過程中發生很多趣事:當我將睪丸在生理食鹽水中剪碎時,男學生說:喔!好痛好像在剪我的睪丸;還有一個一開始嚷著「雞佛(睪丸)超好吃的」的學生說:「老師,餐廳做的雞佛這道菜時,有先在生理食鹽水中將精子釋出嗎?(當然沒有)、啊….那我吃了一堆精子?」;還有學生說:「借我摸摸看….」、「咦…比我的大…」;最妙的是:有個男生很正經的跟另一個男生說:「吃這個很補,那個會長大喔!真的很有效,趕快叫妳媽買給你吃(吃好道相報)」!所以我應該有對得起哪兩對雞佛吧!阿彌陀佛!

 

經典但無聊的觀察活動
「蛋的觀察」是生物科自古以來即有的觀察活動,一綱多本後所有版本也都捨不得放棄這個「實驗」,但我不是很喜歡它,因為1:要看的東西太少,根本撐不了一節課,2:看完後但無法處理,太浪費食物,3:看完了完全無助於對「蛋是如何形成的?和生殖有何關係?」的了解。但是下學期進實驗室的機會較少,實在不忍剝奪學生去實驗室玩的機會,於是就要來變些把戲!1、吃掉它---煮成玉米濃湯、2加觀察內容---卵巢內的卵、改變氣室的觀察方法;本來想拿雞睪丸來取精看精子,但可能因為我技術不好、顯微鏡的高倍大多不易使用、時間不足等因素,雖然犧牲了兩個睪丸,但沒看到精子。但這樣的改變後這個活動變得很充實又很可口,我自己有點滿意了!記錄下來和大家分享!
母雞肚子裡的「蛋」
雖然所有的人都吃過雞蛋,課本也一再強調---「卵黃」是在卵巢產生的,卵白蛋殼….是輸卵管分泌的,但在多數人的心中「有殼的蛋」本來就在雞肚子內,只是被生出來而已。他們不知道原來「雞蛋」是在母雞肚子內經一連串滾動、變身而來的--從卵巢的「黃金蛋」、到輸卵管的有卵白、殼膜軟軟的蛋、最後到卵殼腺加上真正的殼一路包裹、疊加才成為我們看到的蛋。一個沒看過卵巢、卵殼腺的人很難想像雞蛋的變身過程。所以我會去買卵巢(裡面有即將熟排出的卵---黃金蛋)來讓學生觀察---包括味覺、口感的觀察。加上用圖片讓學生看母雞的生殖系統,幫助學生了解「蛋是如何形成的」。這次我找以前補校的學生(他在做殺雞的工作),幫我留母雞的生殖系統及公雞的睪丸。天啊!這學生真是太了解老師的教學需求了!竟然幫我留了4隻母雞的生殖系統,從兒童期、青春期、直到熟齡生產期,而且裏頭有一隻母雞的卵殼腺裡有一個蛋!這會不會太完美了!兩隻公雞的睪丸也是有兒童期、成年期之分!真是太感動了!

雞生蛋---就像擠魚丸一樣的鈍端先出
雞生蛋的過程只能借助影片了,仔細看雞蛋生出的過程是鈍端還是尖端先出?聽說這和物理原理相關---所有從管子中己出的東西,一定是鈍端先出末端有點尖!擠牙膏或做魚丸時似乎都是這樣!

吃是王道

一邊觀察一邊用電磁爐煮一鍋X寶玉米濃湯,觀察完蛋之後,在玉米濃湯中灑下蛋花,大家迫不及待要吃玉米蛋花濃湯了!

分類與命名
前一陣子在黑胡桃部落格,看到「期待與之相遇--角苔Hornwort (Anthocerotophyta)」(這裡),發現兩個有趣的問題:第一個問題是:文中所說的角苔應該就是我以前說的角蘚,苔與蘚的中文名稱在台灣與對岸是正好相反的,所以還是要搭配英文或拉丁文學名來看叫不會搞混。簡單來說圖1中的地錢屬於(liverwort)---葉狀配子體呈雙分叉狀有點像肝臟,在台灣屬於蘚類但大陸說苔類;而圖2配子體直立,有類似莖、葉構造(假莖、假葉)的土馬鬃,在台灣屬於苔類(moss)但大陸說是蘚類;而圖3中葉狀配子體較深綠有點黏呼呼的感覺,孢子體長角狀的植物屬於hornwort在台灣可能較常被稱為角蘚,在大陸應該是角苔。

(圖1--地錢 LIVERWORT)

(圖2--苔(MOSS))

(圖3--角苔(蘚)hornwort)

蘚苔植物哪裡找?
第二個問題是:角苔真的那麼少嗎?什麼地方較常見呢?我會有這個疑問是因為我經常在花圃或花盆上看到,覺得類似的環境應該就有。幾天後我經過一處櫻花的培植區,走進田裡去照櫻花,竟然發現櫻花樹下有一大片的角苔和土馬鬃(還沒查到名字),觀察之眼打開後,我往類似的環境去找,發現到處都有這小東西啊!但是他們和課本上說的:「生長在陰暗潮濕的地方」有很大的不同。

未解的謎題
雖然我已經指導學生用土馬鬃與地錢做過兩、三次科展了,但其實還有一大堆疑問未解決,趁這次照了一些照片,把這些問題提出來,也許可以邀集有興趣的老師們,來個「一個題目大家作」,或共同指導學生來解決這些疑問:
1、苔蘚類只能是先驅植物?

花圃或菜園整地之後第一批長出來的幾乎都是它們(我都是在這種地方找到他們),而且是一大片。但是其他雜草長出來後就很難找到他們了!我的問題是:苔蘚是如何敗下陣來的?因為雜草搶奪了陽光?水份?礦物質?還是雜草分泌了什麼抑制物質?還是….?

(新整地的大片苔類 ---MOSS)

2、真的是陰暗潮濕嗎?

依我的觀察角蘚(Hornwort)和(liverwort)的確長在潮濕的地方,但並不陰暗,真正陰暗潮濕的地方並不常見;而土馬鬃(moss)則幾乎都長在很空曠的地方(如:剛整完地裸露的表面)這是陽光可以直射的方;有些甚至可以長在非常乾燥的地方,如灌溉溝渠的水泥岸上---那是又乾又陽光直射的地方!這和課本的說法很不同啊!我想如果可以做田野調查把苔蘚類生長環境和光照的關係找出來,也許會推翻課本說法,這滿有趣的!

3、他們是怎麼防止水分散失的?

由於前面所說的,有很多苔蘚類是生長在日照強烈的地方,但他們的構造很簡單,如:土馬鬃(moss)的假葉其實只有一層細胞,又扁平,表面積比是很大的,他們如何經得起水份的散失?又如:地錢的煙囪狀氣孔開口其實很大,好像也沒有關閉的功能(至少我觀察的時候看不出有開和關的差異),他們是怎麼防止水分散失的?

4、死而復活的超能力?

我最早會以土馬鬃做科展是因為在上課時帶了一些土馬鬃去給學生觀察,之後就隨手丟在實驗桌上,一週後這些土馬鬃變成又乾又扁又黑,像一堆枯草,我順手倒一些水下去,不到10分鐘,所有土馬鬃都復活了,一棵棵綠油油,真是太神奇了;其實夏天時,水溝壁上幾乎看不到一點綠,但只要下一陣雨,馬上綠意盎然---那些都是土馬鬃,所謂「苔痕上階綠」指的應該就是這個景象吧!所以那年我的學生就是在探討---他們到底能失去多少水分?乾多久之後還能復活?在這個「乾死」的過程中到底發生了什麼事?沒有做得太好所以大家還可以繼續作!

(又乾又黑的土馬鬃)

(快速吸水復活)

5、超強的吸水功能:

土馬鬃能長在又熱又乾的水泥牆上靠的可能是特殊的「耐旱」能力,也可能是微妙的吸水能力---只要有一點點水(哪怕是水氣)都能把他截留下來,這應該是和表面的物理構造有關吧!看看這一片苔類(moss)每一個孢子囊上都吸滿水珠,應該有感受到他們神奇的吸水力吧! 他們還有哪些特殊的構造?吸水能力又有多強?這可以結合物理科來作探究吧!

以上是我想到的,去找一片苔蘚類來觀察,一定會發現更多問題的!

 

最近我在噗浪上看到一些國中生物科老師在討論「生殖與遺傳」教學的問題,我想這個單元的教學的確有一些要討論的地方,所以將我自己的教學策略方式放到網路上來和大家討論,希望透過討論、分享能改進教學的效果。

 「生殖與遺傳」為何難教難學?

生殖與遺傳在國中生物科教學上算是較有難度,學生比較不易理解的部分,艱難來自:1.生殖的概念很多是屬於細胞內的變化,如:細胞分裂、減數分裂、精卵結合、細胞分化等。這些是學生不易觀察,也感覺不到的東西,需要較高的認知能力。2:遺傳的概念不只是細胞內的變化更是分子結構、運作的變化,而且牽涉到時間---親代、子代甚至更多代,知識概念本身就較抽象,加上考試時常喜歡考一些純理論、機率運算等內容,造成學生很大的壓力。去年開始教科書審查的教授,堅持要釐清基因與等位基因(對偶基因),「一個」與「一對」的差異,對老師的教學更是雪上加霜。

我的教學策略---調整教學順序

我自己的教學策略是:從看得到的現象開始如:營養器官繁殖(學生在寒假已經做過實驗),讓學生對生殖與生長做一區分,知道生殖是指新個體的產生。接著配合課本用圖介紹各種生物的無性生殖如細菌的分裂生殖、水螅的出芽生殖….等。接著舉導入種子繁殖及常見的動物生殖的例子,讓學生從所舉的眾多例子中,區分出不同的生殖方式,也就是要引導學生發現:有些生殖是有細胞結合的,而有些則無,也就是有性生殖與無性生殖的不同。有性生殖的部分因為知識是比較系統化的,可以從求偶到生產一路介紹,這部分因為很有系統、很明確,而且有一些觀察活動或有趣的動物行為影片,多數學生是很有興趣的。

我這樣教「細胞分裂」、「減數分裂」,請指教:

生殖這單元要以「細胞分裂」、「減數分裂」較為抽象、難懂。我會將此單元放在1-2.1-3無性與有性生殖之後才上(不懂為什麼所有課本都把它擺在1-1?)。一來、剛開學上些有趣、易懂的東西,比較不會嚇到學生,二來、學生已經瞭解:「無性生殖是由生物的部分細胞產生新個體」、「有性生殖需經細胞結合」等觀念後,再來説明無論有性、無性生殖都需「增加細胞」,這樣比較容易知道為什麼需要細胞分裂。也就是比較有動機去瞭解如何進行細胞分裂了!更重要的是上完「細胞分裂」、「減數分裂」瞭解染色體的變化後(同源染色體等)直接接遺傳的:DNA、染色體、基因(2-2),還滿順的(我先上2-2再上2-1,很搞怪!)!若老師們有興趣我再來錄第2章。

在「細胞分裂」、「減數分裂」這個地方有一個一直「將錯就錯」的概念---一直使用染色體複製這個名詞,其實是DNA複製而非染色體複製,細胞在分裂之前就已複製完成,所以等聚縮成染色體時,早就有姐妹染色分體了!所以所有的圖都應改過。這是科學正確性很明確的地方,教科書審查的教授卻視而不見,偏偏對基因的定義如此「以偏概全」,令人費解。

這次細胞分裂有阿簡老師提供的動畫,效果還不錯!謝謝阿簡老師。1-1的實際教學時間約一節半(2節,但有約20分鐘處理營養繁殖及植物生殖器官的觀察的作業)。下面的投影片教學是用POWERCAM錄影,按播放鍵即可聽投影片的講解,你也可以選擇特定的投影片只聽某幾個段落!教學中使用的圖片若有侵權,請告知,我會加以移除,謝謝!

 

 

前一篇:一頭霧水!光合作用的產物中到底是有水還是沒水?曾提到光合作用產物中的水到底從哪裡來的問題,經過許多夥伴的討論,加上我自己找的一些資料,提出以下報告請大家幫忙看看是否正確:

一、如果只用 6 CO2 + 6 H2O ---> C6H12O6 + 6 O2 會遇到什麼狀況?

1、產物中的O2必須有一部份來自CO2 :

因為產物中有6 O2,共有12個 O原子,可是反應物6 H2O 卻只能貢獻6個O原子,所以有「CO2也有貢獻O原子給產物O產物6 O2」的疑慮。

2、光反應產生的ATP及NNADPH不足以提供暗反應所需:

暗反應時,每固定一個二氧化碳分子需耗三分子ATP與兩分子,每一循環總共固定三個碳,用掉9個ATP及6個NNADPH,即若欲固定6個碳,需從光反應獲得18個ATP及12個NNADPH。而在光反應中,每兩個水分子經光水解只能獲得2 個 NADPH, 及3個ATP,若是6個水分子經光水解,只能產生6 個 NADPH, 及9個ATP,所以在光反應中總共須有12個水分子被分解,才能提供足夠的NADPH及ATP,以供暗反應固定6個二氧化碳,合成一個糖分子。

  二、哪些研究曾在產物中出現H2O?

在1930年之前,因為已經知道光合作用是用掉二氧化碳和水,而產生糖和氧,所以通常以最簡式來表示,其反應式寫為:

CO2+ H2O --->CH2O +O2

當時產物中並沒有水,而且因為水是細胞中含量最多、參與最多反應的一種物質,實在也很難探討它在哪一個步驟被用到惑產生。但1929年凡尼爾(C.B.Van Niel)進行以下的實驗又有新發現:

1、凡尼爾的實驗:

凡尼爾對光合細菌進行研究。他發現有些有色素的細菌(紫硫菌)在硫化氫等物質存在的情形下,也能利用光進行碳同化,但是不能釋放出氧氣,而是產生黃色的硫磺顆粒。此時反應式若是

 CO2+  H2S ---> CH2O +2 S    則無法平衡,

 若在產物中加入水,如

C02+ 2H2S --->CH2O+ 2S +H20

則可達成平衡,所以凡尼爾歸納出光合作用的反應式可寫為:

 通式:CO2+ 2H2X  --->(CH2O) +2X+  H2O。

 硫化菌:CO2+ 2H2S  --->(CH2O) +2S +  H2O。

 植物:CO2+ 2H2O   --->(CH2O) +O2+  H2O。

凡尼爾的實驗以細菌的光合作用探討氧氣的來源,但卻意外的使反應式的產物中出現了水!

  2、魯賓(S.Ruben)和卡門(M.kamen)的放射性標定實驗

1941年美國科學家魯賓(S.Ruben)和卡門(M.kamen)為瞭解光合作用釋出的氧究竟來自水或二氧化碳,將同位素[18O](以下以*O表示)引入水分子中,用來標記水分子中氧原子,然後測定光合作用所釋放的氧來自二氧化碳還是水。實驗結果如以下式子所示:

  C *O2  + 2 H2O   --->( C H*O)  +  6O2  + 6H2 *O

 CO2  + 2 H2*O   ---> (C H O) +  *O2  +  H2 0

綜合以上實驗,所以光合作用的反應式應寫為: 

6 C O2  + 12 H2O   ---> C6 H12 O6  +  6 O2  + 6 H2 0

利用放射性追蹤的結果證明光合作用釋放出的氧,來自水分子經光解的結果。而二氧化碳中所含的氧也會出現在產物的水中。似乎證明了光合作用的產物中有水,但水是細胞中含量最多、參與最多反應的物質,二氧化碳可能經由參與其他反應,而產生水,並不一定是光合作用的結果。

 三  水從哪裡來?仍是個謎!

綜合以上推理,光合作用的產物中若不加水可能無法解釋:暗反應中NADPH, 及ATP來源的問題,也無法解釋產物O2的來源,所以產物出現H2 0似乎也合理。但到底在哪些步驟產生水(暗反應其實是用掉水的)?卻又真的找不出來(至少我找不到),所以只能説「那是計算的結果」了!

這樣的答案大家能滿意嗎?其實我自己並不滿意,但發現有許多朋友願意參與討論,覺得以後有問題可以透過這樣的方式和大家交流!我覺得在部落格提出這樣的問題是很有意義的!我很喜歡這種討論呢!謝謝大家!