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2012年10月16日 星期二

植物世代交替之教學我思(上)


每每到植物世代交替的單元時,不只學生唉聲嘆氣,老師大多也都唉在心裡,實在是自己也不覺得有趣,怎麼可能讓學生覺得有趣呢。
可是我覺得好可惜耶,這是很有趣的單元,讓我們又更進一步確認植物的生命形式實在奇妙的不得了啊。

以下是我今年的教學流程,問了幾個學生都是覺得這個單元有意思 ,不會無聊,所以想說紀錄一下。(快要忘掉了啊啊啊)


一、世代交替是甚麼
在植物的生活史中,一個個體要生出另一個類似個體前,會出現另一個只有一半染色體的個體。
也就是要這兩個個體先後出現後,才能開始另一個新的生活史。
而人類是直接以一個個體產生另一個類似個體。


二、綠藻的世代交替
1.為何用綠藻?
  • 告訴學生不是只有植物有世代交替
  • 綠藻是植物(目前相信)在演化上 最近的親戚。
  • 綠藻的世代交替是植物世代交替的原型。
 2.流程
  • 2n個體代表每個細胞中的染色體都是兩兩成對,也就是在染色體上的每對等位基因都有兩個,如AA、Aa或aa
  • 2n個體的某些細胞進行減數分裂後,形成1n細胞,也就是指得到每對染色體的其中一條,以基因型Aa來說,就只得到A或a。
  • 這個1n細胞脫離原先的2n個體後,飄散至合適的地方,又經過有絲分裂形成另一個個體,是這個1n的個體再經過有絲分裂後,產生某些會脫離的1n細胞。
  • 這些1n的細胞在進行配對後,形成2n的細胞。所以這些要進行配對的1n細胞稱為「配子」,配對結合後的2n細胞稱為「合子」
  • 這個合子在經過有絲分裂形成新的2n個體
  • 前面出現的第一個1n、可移動的細胞稱為「孢子」
  • 產生孢子的多細胞個體稱為「孢子體」,產生配子的多細胞個體稱為「配子體」

3.為何叫做「世代交替」

  • 一個2n個體要形成新的2n個體的過程中,會出現另一個個體
  • 必須要有1n的個體出現後才能形成新的2n個體
  • 因此在這個生活史不斷進行的過程中,會有兩個染色體組成不同的個體輪流出現
  • 在這個圖上來看就是孢子體與配子體輪流出現


4.人有沒有世代交替?
如果人有世代交替是什麼情形呢?
那就是你身上的1n細胞,像睪丸裏的細胞。這些細胞離開你身體後,並不能直接去找卵,而是一直分裂形成另一個個體,整個身體裏都是1n的細胞,也就是說是個睪丸人。而女生就是會形成一個卵巢人,是由這兩個人再產生會結合的精子跟卵。
(這樣的情況之下就真的是牽手也可以生小孩了)(誤)(大笑)


給學生至少五分鐘的時間,將前面的東西沈澱一遍(老師要忍耐啊)


5.世代交替的優勢
動物沒有世代交替而植物有,為什麼要這麼麻煩的變出另一個個體?
多形成了配子體有什麼好處?
(靜待學生回答)(可以讓學生小組討論或自由發表)
(討論時可以提供動物生活史的簡圖)


-->增加配子數目

6.世代交替的弱勢
世代交替中的配子體世代是1n細胞組成的個體,也就是成對基因中只具有其中之一,也就是若以原來是Aa基因型的孢子體來看,可能出現只具有a的配子體。
如果A及a所控制的性狀與生存有很大的關係,那麼只具有a的配子體會直接受到天擇選汰壓力作用。
比如說,a代表異常的光合作用載體蛋白基因,那麼a會直接就被淘汰掉。
看起來,異常基因被淘汰掉似乎不是壞事,我也的確在一些報告中看到作者把這一點列為優點,但是真的是優點嗎?
a基因雖然可能不適合當時的環境,但是當環境變動時,有可能變成有利的基因。
(教師可以舉例說明)
孢子體具有Aa基因型,可以讓a在A的保護下留在族群中,增加適應變動環境的可能; 而配子體會讓a比較快速地被淘汰掉,減少適應變動環境的可能。也就是配子體的時間越長,基因將畫的速度就越快。

等我們學完所有植物的世代交替後,我們的確會看到配子體在生活史中,所佔的時間比例越來越短,個體大小變得越來越小,甚至藏在孢子體當中。可以支持剛才的理論。


6.植物有世代交替可以增加配子數目,才能存活下來,那動物為何沒有世代交替?
在演化上,問出「為什麼沒有」是毫無意義的。
那也許我們可以問,動物在沒有世代交替的情況之下演化至今,而植物卻有「增加配子」的需求,為什麼?
也就是植物有什麼特性(而動物沒有)讓「增加配子」變成是重要的?

(學生自由發表)

-->植物不會動,後代死亡率很高,世代交替增加配子數目可能可以彌補這樣的損失。
(植物不移動的好處很多,其中最明顯的就是沒有體型上的限制,就不需要耗費能量修補受損部位,直接長新的就好。不像動物得一修再修將就著用,我們身上的任何一個部位都是越來越老舊而已啊)


95及99課綱中,藻類的世代交替是被省略的,只剩下基本流程的示意圖,然後就直接跳到比較複雜的維管束植物,甚至連蕨類生活史都沒有就直接跳到被子植物。
我相信大多老師跟我之前一樣,解釋完基本變化後就介紹被子植物的生活史。學生(可能老師也)搞不清楚世代交替的脈絡,所有名詞都變成片段的資訊而已,當然就會覺得無聊了。

這次我花了將近一節課在介紹上面說的內容,雖然這次的上法不見得每個人都覺得有趣,但是我的確觀察到注意力放在我身上的人佔大多數。也許大家可以參考看看。

三、蘚苔類的世代交替

1.介紹世代交替的基本流程
2.介紹苔類的孢子體、孢子、配子體、藏精器、藏卵器及合子
3.介紹孢子體不能行光合作用,配子體可以行光合作用,孢子體寄生於配子體上
4.以配子體為主的世代交替模型是否因此限制了苔類的演化?

四、蕨類的世代交替
1.介紹世代交替的基本流程
2.介紹蕨類的孢子體、孢子、配子體(原葉體)、藏精器、藏卵器及合子
3.介紹蕨類的孢子體及配子體均可以行光合作用,獨立生存
4.介紹蕨類配子體在生活史中佔的時間短,體形也小,逐漸以孢子體為主。

2012年10月12日 星期五

念高中生物要問的為什麼! 20130224更新

1.植物的世代交替有甚麼演化上的優勢?
2.植物為什麼不用排泄含氮廢物?
3.植物的維管束排列是怎麼演化來的?木質部位置的改變趨勢能帶給植物甚麼樣的好處?
4.次級主動運輸有甚麼好處?為甚麼小腸及腎小管吸收葡萄糖不用初級主動運輸?
5.川崎氏心臟病有甚麼演化上的意義?
6.為甚麼神經疾病常有皮膚上的症狀(參考網頁)?
7.神經元的靜止膜電位在化學上是可能的嗎?
8.細菌為什麼不需要紡錘絲來均分染色體?
9.為何細胞壁的成分都是糖類
10.哺乳類紅血球的形成過程是甚麼?無核紅血球有甚麼演化上的優勢?
11.昆蟲的氣管系與循環系統的關係是甚麼?與其他脊椎動物有甚麼不一樣?演化上的優勢是麼?有甚麼缺點?
12樹皮剝落有甚麼好處
13葉子掉落的經濟學觀點(儲存老舊廢物),動物為何不用此一方法
14植物有很多細胞必須死掉後才能執行功能,如導管及厚壁細胞。為何動物較少這樣的細胞?
從植物是無限生長,動物是有限生長來看。
15.植物的韌皮部為什麼要依職長新的?
16.植物為無限生長,動物為有限生長。為什麼?(移動性)
17.植物為無限生長,動物為有限生長。這個特性讓植物處理很多問題時,都用不同於動物的方式。有哪些呢?(更新vs修復)
18.植物體內物質運輸的動力來源:蒸散流是以蒸散作用的負壓驅動,而壓力流是利用膨壓的壓力差。而動物體內物質運輸的動力來源是心臟收縮及呼吸作用,較少利用自然產生的現象。這兩種不同的策略各有甚麼優缺點?(能量、調控、受影響)
19.化學上並沒有"高能磷酸鍵",所以ATP水解釋放出的能量到底來自於哪裡?
20.鍵結的斷裂為吸能反應,為何ATP-->ADP+Pi是放能反應?
21.腦垂腺前葉及後葉為何合併為一個腺體?腦垂腺後葉存在的目的是什麼?下視丘延伸到後夜的神經細胞為何不直接將激素儲存在腦部?為何要儲存?為何不直接分泌到腦部血管(血腦障蔽可能不是原因,因為延腦可以透過直接在血管上開孔的方式將分泌物送至血管)

韌皮部物質運輸的教學我思


1.介紹篩管與伴細胞的結構時
  • 木質部運送水分及無機鹽是單向的,因為除了二氧化碳之外,所有植物必須從外界獲得的物質都是從根進入,所以水及無機鹽的運輸方向只需要由下往上。而韌皮部則不同,製造有機物的位置在葉子,需要有機物的地方則可能在植物體的任一點,例如長新的葉子、枝條、果實等等,甚至受傷的時候必須要趕緊長新的組織將傷口堵好
  • (可提到植物的生長策略-->因為是無限生長,所以不用將壞的修好,只要堵好不要有進一步傷害,在長新的就好,比壞的修好要便宜又更好用。植物可以無限生長,而動物不是無限生長的原因是因為植物不需要移動)
  • 再講因為韌皮部需要隨時調配輸送的方向與量,所以必須要是活細胞才行。木質部只需要提供管線,方向及量由蒸散作用決定,所以死細胞就可以,而且死細胞組成的管道比較暢通,以運送大量水分來說,是更為合適的。
  • 組成韌皮部管道的細胞必須是活細胞,可是活細胞本身的耗能很多,若是直接運送有機養分,恐怕在運送途中會消耗很多有機物,造成運輸到目標器官的比例很低。所以篩管細胞在成熟的過程中 ,細胞核及大部分的胞器都被分解掉了,這樣就可以減少有機物的損耗。但是沒有了細胞核,控制的能力就大為降低,因此被子植物演化出旁邊有一個細胞來主控篩管細胞的運輸,叫做伴細胞。雖然叫做"伴"細胞,但實際上是主要在控制的細胞。而篩管細胞因為沒有細胞核,壽命因此減短,通常只有幾年而已,所以需要形成層不斷分裂出新的韌皮部。(可以提到紅血球也沒有紅血球,也是壽命短120天,需要不斷更新)

2.壓力流
  • 既然生產的地方在頂端的葉子,可是需要糖分的地方散布在不同位置,不同時間,那植物要如何有效的讓需要養分的地方就可以獲得養分呢
  •  植物超厲害的,他用了很簡單的物理原理就完成了這個困難的調度問題。那就是帕斯卡原理。整個植物的韌皮部是連通的,也就是可以當成是一組連通管。
  • 在產生光合作用的部位以主動運輸的方式將蔗糖移入篩管,因此篩管的蔗糖濃度上升,水的濃度下降。而韌皮部旁邊是木質部,裡面有大量的水,水的濃度高。因此水會自木質部移入篩管。此處因為糖及水不斷增加,篩管體積不變,所以整體的壓力上升。
  • 在需要有機養分的部位 以主動運輸的方式將蔗糖移出篩管,因此篩管的蔗糖濃度下降,水的濃度上升。而韌皮部旁邊是木質部,裡面有大量的水,水的濃度高。因此水會自木質部移出篩管。此處因為糖及水不斷減少,篩管體積不變,所以整體的壓力下降。
  • 在A點(製造端)水壓上升,在B點(需求端),液體自然由A流至B,不需要特別調控。而且製造速度及需求速度可以直接影響流速,是很有效率的演化。
  • 因為在整個過程中,液體的流動是由壓力決定的,所以稱為壓力流。製造端稱為source,需求端稱為sink(就像水槽能匯聚水一樣),是醣類匯聚的地方 。

3. 水對植物的重要性
  • 因為壓力流的產生需要木質部的水分運輸正常,所以缺水時對韌皮部運送有機養分也會有影響
  • (所以韌皮部與木質部必定相鄰,這也是我們在莖的維管束排列所看到的狀況)
  • 在前面學過與水有關的功能:光反應、無機鹽的運輸、散熱


木質部與韌皮部滲透的參考文章及圖片

Linking phloem function to structure: Analysis with a coupled xylem–phloem transport model




Scaling phloem transport: Elasticity and pressure–concentration waves






這邊有有趣的文章Phloem:The long and the short of it.

http://www.cell.com/trends/plant-science//retrieve/pii/S1360138505002979?_returnURL=http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1360138505002979?showall=true



2012年10月7日 星期日

高中生物呼吸作用的教學與常見錯誤

進行呼吸作用教學時,高中老師們都會面臨一個抉擇點。
到底要教多深?
一般的選擇有幾個:
1.簡單說明物質的分解會放出能量, 轉移至ATP、NADH、FADH2等,最後全部轉為ATP才能讓其他反應使用。
2.說明各階段碳水化合物的碳數變化,以鍵結的斷裂釋能提供ATP、NADH、FADH2等高能分子合成,最後全部轉為ATP才能讓其他反應使用
3.說明個階段各化合物的化學結構變化,以鍵結的形成及斷裂說明能量的轉移及ATP、NADH、FADH2等分子的形成,最後全部轉為ATP才能讓其他反應使用。

在95課綱中,大多高二的學生可以用上面的第二種上法,因為多少有點化合物具有能量的概念。到了高三就可以用第三種了,因為在化學已經學過鍵結的概念了。

可是在99課綱,高一學生就要學習呼吸作用(還有光合作用!),而且才剛剛接觸ATP的概念,要直接用第二種上法實在會有很大的問題。很多老師也許不覺得,但是我認為老師只是沒有花時間去瞭解學生到底在腦袋中形成什麼故事。如果花時間瞭解,就會發現學生其實很模糊。學生也許在選擇題上,可以多做幾次就知道要選哪個答案,但是實際上所認知的故事很可能跟老師的版本是天差地遠呢。

尤其是在之前學ATP跟能量的關係時,可能就具有或形成很多迷思,在光合及呼吸作用這兩個完全關乎能量的單元,當然也就一路錯下去。

如果跟化學老師討論後,各位生物老師你會發現, 原來我們在生物學上使用的一些名詞及動詞都是誤用,而我們要表達的概念卻是需要具有很多默契才能知道的,但學生沒學過生物,沒有我們的默契,所以當然也就會抓不住我們要表達的概念到底重點在哪裡。

99課綱的學生在小時候就不斷地被塞了太多的東西,沒有時間針對所學形成自己的看法與故事,以至於他們現在連形成錯誤故事的能力都沒有了,他們多的是只希望老師告訴他要背什麼,有些用功的小孩也是希望老師能從頭到尾講得很清楚,他才能在心中「留下」一個故事大綱(不是「形成」喔)。

這超可怕的。

我在上這個部分的時候,即使是高三的學生也不一定用到第三種方法,因為其實生物老師的講解,就化學老師看來都是錯誤連篇。講越多就錯越多。

舉例來說,鍵結斷裂需要能量,不會放能。可是在生物的教學上,常常用「碳之間的鍵結斷裂放出能量,使ADP能加上一個磷酸根,形成ATP」來告訴學生。這樣的一句話其實一共描述了好多反應,可是學生卻不知道。當他用化學課所學來理解生物課的內容,是會有很多衝突的,當然最後只好用背的方式來寫考題。

(另外,其實我覺得應該還要提醒呼吸作用所需要的氧氣及所放出的二氧化碳,與循環及呼吸系統的關聯。)

尤其是最近仔細反覆研讀生化課本中的呼吸作用,就發現,即使是第三種方法,其實也都漏了兩個最重要的重點,這兩個重點,在我看來,遠比教授呼吸作用的每一個步驟重要。
1.糖解作用與克氏循環的步驟中,反應物與產物之間的能量關係。
2.這些步驟如何被調控?在前面學習ATP的章節中,常會有考題問學生ATP/ADP的比值如何影響代謝作用,是會促進放能,還是促進需能。而我們在教呼吸作用的時候,若不回到這一點,其實就非常可惜。整個生物學中關鍵的能量主題就會變得零碎。

下面是我在網路上找到有關糖解及克氏循環各階段產物的能量變化。可以看出來的確大多是放能反應。

IMAG0478


IMAG0473 這張圖是我翻了生化課本中,有關各階段的調控點,可以說明細胞中呼吸作用是遵循經濟原則的。


以下是讀書筆記。
黑筆是各階段的總反應,藍筆是細節,紅筆是我覺得重要的地方。少數鉛筆寫的是我自己的想法。有些化學上的名詞我不太瞭解就是了。
像是乙醯輔酶A的形成及alpha-ketoglutarate的分解其實牽涉到三酶系統,酶的排列及作用很有意思,如果真的講到化學結構的變化而沒有講這個真的很可惜。


  IMAG0468IMAG0469IMAG0470IMAG0471IMAG0472IMAG0473

以下是因應學生說不看化學式他們會覺得抽象,所以找來印給他們的。

IMAG0475 IMAG0477


然而我覺得,若真要講仔細一點,不如把時間花在講下面這類圖。
呼吸作用與其他反應的關聯。
IMAG0476