探究酵母菌种群数量变化

同学们好，今天我们来一起学习一下高中生物必修三第四章第二节内容探究酵母菌种群数量变化

秋天是丰收的季节，葡萄挂满了枝头。葡萄除了可以直接食用外，我们还可以用来酿酒。酿酒过程中会用到一种微生物—酵母菌。酵母菌是单细胞真菌，代谢类型属于兼性厌氧型。工厂需要生产大量酒精，需要大量繁殖酵母菌。

通过必修一学习，我们知道酵母菌在无氧条件下产生酒精，那酵母菌大量繁殖的条件是否需要氧气？培养过程中酵母菌数量如何变化？

我们先预期理想条件下酵母菌种群增长情况

酵母菌是单细胞真核生物，以分裂或出芽形式增值，增值后一般是一分为二。如果N0个酵母菌从0代开始同步增殖，写出t代酵母种群Nt的数学表达式。不错，t代酵母种群数量Nt=N02t

数学表达式对应的图像是什么样呢？从图中可以看出，理想条件下，酵母种群数量成指数增长的方式，由于曲线形状为J型，所以也叫J型增长。

让我们分析一下J型增长的特点，第一个特点即种群数量呈现指数增长，增长过程中增长率如何变化？什么是增长率？种群增长率是指单位时间内种群数量变化率，即种群在单位时间内净增加的个体数占个体总数的比率。下面我们一起来计算一下J型增长的增长率，用v表示增长率=N t- N t−1/ N t= N02t- N02t−1/ N02t=1/2 ，所以J型增长的第二个特点为种群增长率保持不变

条件适宜时酵母可2小时增殖一次。10.4天与地球同等质量；反映了生物增殖的潜能，体现了达尔文的生物都有过度繁殖的倾向。

能不能这么增长？不可能！为什么？哪些限制？那么真实的是什么样子？需要我们做实验来进行研究

下面介绍一下我们班兴趣小组同学课下完成的探究不同条件下培养液中酵母菌种群数量变化实验。第一步配置酵母菌培养液，并进行高压蒸汽灭菌处理。

第二步分成两组，一组直接接种酵母菌，另一组接种酵母菌后用石蜡油液封，均置于28℃下培养。

第三步：每天计数酵母菌细胞数量。在进行酵母菌计数时用到一种工具血球计数板，它是一种专门计数较大单细胞微生物的仪器。由于时间原因，血球计数板的具体应用我们不再讲解。

这样连续培养五天并每天统计酵母菌的数量变化，得到如下的实验结果，下面我们共同来分析一下兴趣小组得到的结果。

先分析在无氧条件下随着培养时间的延长，酵母菌种群数量的变化情况。根据得到的结果，思考下面两个问题。先看问题1：描述培养液中酵母菌的数量是如何在发生变化的？分析变化原因？由实验结果可知，第一天内酵母菌数量迅速增加，随后随着时间的延长，酵母菌数量几乎不再变化。我们分析第一天酵母菌数量迅速增加的原因可能是刚培养时培养瓶中还有

一定的氧气，酵母菌快速繁殖，随着时间延长氧气消耗完，酵母菌开始无氧呼吸，种群数量几乎不再增长。

次实验可以说明什么呢？可以说明酵母菌在无氧条件下种群数量几乎不会增长，在有氧条件下酵母菌数量可能会快速增加。为了进一步验证我们结论，我们来接着分析在有氧条件下酵母菌种群数量的变化。

同样分析得到的有氧条件下随着时间变化酵母菌种群数量变化结果，思考以下三个问题。问题1，描述培养液中酵母菌的数量是如何在发生变化的？分析每一阶段变化原因？从开始培养到第二天，随着时间增加，酵母菌数量迅速增加，第二天至第四天，随着时间增加，酵母菌数量增加的速度开始减慢，第五天酵母菌数量几乎不再增加。出现这样变化的原因是什么呢？我们从酵母菌生长的环境进行分析，从开始培养到第二天，培养瓶中空间和食物资源充分，酵母菌生长环境适宜，开始快速增值。第二天至第四天，随着种群数量的不断增加，培养瓶中的空间和食物不断减少，同时酵母菌正在过程中可能会产生一些有害代谢产物，生存环境不太适宜，增值速率开始减慢，第五天时，随着数量的增加，种内斗争更加加剧，酵母菌的出生率和死亡率相等，种群数量不再变化。

问题2：实际培养中为何酵母菌没能呈现J型增长? J型增长的条件是理想条件，而实际培养过程中，食物空间都是有限的，因此没有呈现J型增长。那实际培养过程中增长曲线有哪些特点呢？我们共同来分析一下

我们把在实际情况下种群增长的模型称为逻辑斯谛增长，由于曲线S型又叫S型增长。在增长曲线上标出了四个点，同学们分析一下B点和D点出生率和死亡率的大小。B点种群数量仍在增长，出生率》死亡率，D点种群数量不再变化，出生率=死亡率。AC段增长速率又是如何变化的呢？解决这个问题，我们首先必须清楚什么是增长速率，增长速率：单位时间种群增长数量。即图像中的斜率。从图像中可以看出AC段斜率越来越大，CD段斜率越来越小，最后变为0.因此AC段增长速率越来越快，CD段增长速率越来越慢，最后变为0，C点增长速率最大。

D点达到最大K值，K值的含义是环境容纳量。环境容纳量指在环境没有破坏情况下，环境中所能容纳的种群最大数量。

我们现在总结一下我们的研究思路，首先观察研究对象酵母菌进行二分裂增值，提出，N0个酵母菌0代同步增殖在t代时酵母菌数量Nt为多少的问题，接着做出合理的假设，在资源和空间无限多的环境中，酵母菌种群增长不会受种群密度增加的影响下，用适当的数学形式对事物的性质进行表达N t=N02t，最后通过进一步实验或观察等，对模型进行检验或修正即观察、统计酵母菌数量，对自己所建立的模型进行检验或修正

这个过程中我们用到了一种建构种群增长模型的方法—建构数学模型，它可用来描述一个系统或它的性质的数学形式，方法常用的有两种数学方程式法和坐标曲线法，这种方法是联系实际问题与数学的桥梁，具有解释、判断、预测等重要功能，是发现问题、解决问题和探索新规律的有效途径之一