瑞帝電通國際有限公司 - READY INTERNATIONAL INC.
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型號: 生物實驗-昆蟲生理學001
名稱: 昆蟲生理學001-蛆蟲的呼吸
規格:
﹝實驗主題﹞
溫度如何對活生生的蛆蟲造成呼吸速率上的影響?
﹝實驗探討﹞
『有氧呼吸』是藉由『粒線體』中的『酶』和葡萄糖與氧氣作用產生二氧化碳(CO2)、水和能量的過程。在這個實驗中,我們可以透過測量在封閉呼吸瓶中二氧化碳濃度的變化來監測活蛆的有氧呼吸。通過改變溫度,我們還可以探討溫度如何影響呼吸速率。
﹝實驗器材﹞
1. CMA公司Vincilab資料處理器(Data Logger)
2.二氧化碳氣體感測器(Carbon dioxide gas sensor),
3.250 mL的取樣瓶(隨感測器一起),
4.室溫下和冷藏溫度下的蛆蟲。
[實驗步驟]
1.將CO2氣體感測器連接到數據記錄儀的input 1。
2.翻到Coach Activity的“蛆蟲的呼吸”。
3.如果有尺寸大小相同的蛆蟲,從冰箱裡的容器中取出二十隻。如果蛆的尺寸大小不同,可以稱重5克的蛆蟲。讓蛆適應大約一個小時。
4.確保取樣瓶中有空氣(不要把氣吹進去)。
5.將CO2氣體感測器放在乾淨空氣中,然後按下校準按鈕校準感測器。感測器會被校準為0.04% (400 ppm)的二氧化碳濃度(正常空氣中的CO2濃度)。
6.將蛆放入瓶子裡。
7.將CO2氣體感測器的軸放在取樣瓶的開口處開始測量。
8.實驗過程中二氧化碳含量有何變化?
9.圖表告訴你蛆呼吸的呼吸狀況如何?
請嘗試找出一種方法計算出CO2的產率(即呼吸速率)。
10.如果你記錄了兩倍的時間,圖表變成什麼樣子?
11.現在要重複做一次實驗,但是要用來自冷藏溫度的蛆蟲。你認為溫度對圖表有什麼影響?做出你的假設。
12.清空取樣瓶,並從冰箱中的容器取出相同質量的蛆蟲,將其放入瓶子裡。
13.重複實驗。
14.比對結果。二氧化碳濃度有什麼變化?
15.實驗結果和你的預測差了多少?
16.實驗告訴你的“冷”的蛆呼吸速率如何?
17.溫度是否會影響蛆的呼吸速率?
18.只靠兩個實驗是否足以得出結論?請舉出幾項理由。
19.你將如何重新設計實驗來會取更多的證據?
﹝實驗原理﹞
不論是『有氧呼吸』(aerobic respiration)或『無氧呼吸』(anaerobic reiration),所有的『生物體』(organisms)都需要呼吸。有氧呼吸是藉由葡萄糖和氧氣通過『線粒體』(mitochondria)內的『酵素』(enzymes)作用產生『二氧化碳』、『水』和『能量』的過程。因此,生物體的『氧氣消耗率』或『二氧化碳的產生速率』可以作為『體代謝活性』(overall metabolic activity)指標。
1.細胞呼吸(Cellular respiration)
『細胞呼吸』(Cellular respiration)是指產生能量的『有機燃料』(organic fuels),包括了『碳水化合物』(carbohydrates)、『脂質』(lipids)和『蛋白質』(proteins)的『氧化』(oxidation)過程。大多數『真核生物』(eukaryotes)和『原核生物』(prokaryotes)進行有氧呼吸時,需要氧分子O2的參與。在『有氧呼吸』作用下,細胞從『葡萄糖』(glucose)獲得能量,葡萄糖藉由『細胞膜』(plasma membrane)以『促進擴散』(facilitated diffusion)的形式進入細胞。 一般來說,葡萄糖的有氧呼吸反應總結如下:
在這化學反應中,從有機燃料中釋放的能量,可以用來測量生物體的代謝。『代
謝』(metabolism)可以用來檢測生物體內發生的『化學反應』。『有氧呼吸』是一連串持續且不同的『氧化還原反應』(redox reactions)(圖1)。該反應從『細胞質』(cell cytoplasm)開始進行,葡萄糖被在『細胞質』中被分解成『丙酮酸』(pyruvate),即『糖解作用』(glycolysis)。此過程還不需要氧氣參與,且僅會釋放少量的能量(ATP)。下一階段,『丙酮酸』(pyruvate)進入『粒線體』(mitochondria),丙酮酸會被分解並與『輔酶A』(coenzyme A)結合形成『乙醯輔酶A』(acetyl CoA),這時會釋放出二氧化碳。到了第三階段,乙醯輔酶A中的乙醯基在檸『檬酸循環』(citric acid cycle),亦稱『克氏循環』(Krebs cycle)或『三羧酸循環』(tricarboxylic cycle)中被分解成二氧化碳和少量ATP。最後,經過『電子傳遞鏈』(electron transport chain)反應後會生成大量ATP。第二階段後的化學反應需要氧氣,且能釋放出大量的能量(ATP)。這種能量以化學能的形式存儲在分子中(ATP),方便供給能量給細胞。有氧呼吸的三個最終產物是二氧化碳、水和能量(ATP)。
2.酶(Enzymes)
生物的呼吸必須使用『酶』(Enzymes),或稱『酵素』進行複雜的反應,因此擁有一些科學知識是必備的。『酶』扮演著『催化劑』(biological catalysts)的角色,它可以改變化學反應的速率,而且在反應完成後並不會被消耗,因此可以重複使用。酶不會引發反應,但能夠加速自然發生的反應。酶是一種『三維結構』(three-dimensional)的『蛋白質』(proteins)。在這個結構中,有一個位置被稱為『活性位點』(active site)。『受質』(substrate)是指酵素反應時被作用反應的分子 ,而它和活性位點接觸就會產生激活反應。(圖2)
一直以來,酶都被認為是在『鎖鑰假說』(lock-and-key hypothesis)下進行反應。這意味著酶具有特定形狀的『活性位點』,這將與『受質』完全吻合。受質會進入活性位點,以形成『酵
素受質複合物』(enzyme-substrate complex)且催化反應。然而,最近的研究指出『誘導契合假說』(induced-fit hypothesis),這意味著即使受質不同,活性位點仍能略有變化,以便使其更“『合身』(kinetic energy)”。這個理論涉及一個問題 – 酶擁有『專一性』(specific)的特性。大多數的酶只能配對一種受質。
溫度的升高會以兩種形式影響酵素的反應(有氧呼吸的情況)的速率。首先,所有分子的『動能』都會增加,從而加速它們。如果它們加速得越快,受質就更有機會與酶碰撞發生反應,即為『碰撞理論』(collision theory)。增加的碰撞頻率可以由『Q10溫度定律』(Q10 law)測定。這說明每升溫10度,該酵素反應的速率將持續翻倍直到達到40度。此後,酶可能會開始『變性』(denature),這是當某一因素影響將『胺基酸』(amino acids)保持在一起的『化學鍵』(Chemical bonds) ,最終導致酶被破壞。而這種情況通常發生溫度在40到60度之間。
3.蛆(Maggots)
『蛆蟲』(Maggots)如同『幼蟲階段』(larval stage)麗蠅藉由『前段和後段』(anterior and posterior segments)的『氣孔』(spiracles)呼吸。它的『呼吸道』(respiratory tracts)在這個階段並不發達,且因為還無法飛行,所以它呼吸的氧氣量少於成年的麗蠅。它們吃已死的『有機物質』(organic matter)。蛆蟲進行有氧呼吸以獲得全身所需要的細胞能量(ATP),以補充ATP的儲存。 蛆蟲是『冷血動物』(poikilothermous animals animals),也稱『變溫動物』,缺乏『衡溫系統』(homeostatic devices)控制體溫。因此藉著溫度的升高,蛆的呼吸速率可能會增加,這是因為參與有氧呼吸的酶對溫度升高起反應,使其工作得更快。
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