探究紫外線對生物影響的實驗活動

摘要 本活動利用香蕉、果蠅、浮萍初步探究了紫外線對生物形態結構、生長發育、繁殖的影響，并通過光處理與暗處理的對照，驗證了生物體中存在著光修復系統。

關鍵詞 紫外線 環境因素 生物學實驗

中圖分類號Q-33 文獻標識碼B

在中學的生物教材中遺傳與變異部分提到，紫外線是誘導生物體發生變異的物理因素之一。其原因是:紫外線照射后，在DNA同側鏈上兩個相鄰近的堿基之間，可以共價鍵相結合而形成嘧啶二聚體，從而引起突變或使基因功能喪失。但是幾乎所有生物的體內都存在著一種光裂解酶，這種酶在光照條件下，可直接把嘧啶二聚體切開，恢復成正常的單體，因為需要借助光能完成修復，這種修復也稱為光修復。

紫外線對生物影響一直是一個研究熱點，但是研究的焦點一般集中于微生物如細菌等，或者是一些生理指標的測量。這些實驗活動設備復雜，技術水平高，在中學層面開展是有難度的。能否利用肉眼可見的生物，可直接觀測到的生命現象，讓學生能真切感受到紫外線對于生物的影響。基于這樣的目的，設計了本實驗方案。在本次實驗中，也檢驗了光修復系統的存在。

1 材料與設備

1.1 實驗材料

未成熟:表皮色澤均勻、無斑點的香蕉，野生型果蠅三齡幼蟲，約2 cm長獨立的浮萍藻體。

1.2 實驗儀器

不透光紙箱:長1m、高50 am，30 w石英無臭氧紫外線燈，天平，恒溫培養箱，光學顯微鏡，解剖針，培養皿，150mL錐形瓶，量筒，燒杯，玻璃棒，脫脂棉，紗布，鋁箔紙。

2 實驗方法

2.1 紫外線處理香蕉

取一個香蕉，香蕉前段的1/3(不包括莖)用鋁箔紙包裹，作為對照;中間段1/3用紫外燈照射4 h后立即用鋁箔紙包裹，作為非光修復段;末段1/3用紫外燈照射4 h后，不包裹鋁箔紙，置于日光燈下24 h，作為光修復段。

香蕉距離紫外燈的距離為40cm，光修復段距離日光燈的距離為30 cm。處理完成后，將香蕉置于黑暗環境中，一個星期后觀察實驗現象。

2.2 紫外線處理果蠅三齡幼蟲

實驗分為光修復組和非光修復組:取10個潔凈培養皿，在培養皿中放人少量的水，形成一層薄的液膜即可。向每個培養皿中挑取15只肥大、行動遲緩的果蠅三齡幼蟲。其中5個作為光修復組，經過紫外線照射后，暴露在日光燈下24 h后，分別轉移至含有培養基的錐形瓶中;另外5個作為非光修復組，經過紫外線照射后，黑暗中放置24 h，分別轉移至含有培養基的錐形瓶中。

紫外線照射的時間分別為0s、15 s、30 s、60 s、1.5 min，照射距離均為40cm，光修復組距離日光燈30cm。處理完成后，將裝有幼蟲的錐形瓶置于恒溫為25℃的黑暗環境中，直到它們都變成成蟲。每隔2 d觀察一次，連續觀察一個星期。

2.3 紫外線處理浮萍

因為浮萍在黑暗中將停止生長，繁殖，所以本次活動中只探究了不同強度紫外線對浮萍形態、繁殖的影響，未設置非光修復組。

取3只盛有50mL清水的小燒杯，各放人5個獨立的浮萍藻體。將放入浮萍的小燒杯，距離紫外燈40cm，照射時間依次為0 s、2 min、5 min，經過紫外線照射的浮萍，分別轉移至盛有500 mL池塘水的3個燒杯中，將其置于太陽光可照射到的窗邊，外界環境溫度約為20～25℃。每天同一時刻記錄浮萍的數量，持續觀察一個星期。

3 結果與分析

3.1 紫外線照射對香蕉表皮的影響

對照段、非光修復段以及光修復段之間界限明顯，經過紫外線照射后的部分，香蕉表皮顏色明顯變成棕黑色，表皮上也出現了較多的斑點，紫外線對香蕉表皮的傷害是顯而易見的。但是，光修復段的斑點明顯少于非光修復段，變黑程度也要稍輕一些，這也證實了在光下，香蕉確實存在這自我修復的能力。許多學生都有過被太陽曬黑或曬傷的經歷，通過這個實驗，學生更加形象地看到紫外線對于生物的傷害。

3.2 紫外線對果蠅三齡幼蟲成蠅的影響

隨著紫外線照射時間的延長，三齡幼蟲發育成成蟲的機率逐漸變小，當照射時間達到60 s時，存活率為零。但是如果對照射過紫外線的果蠅進行光修復處理，存活率將會提高，當照射時間達到90 s時，果蠅才會全部死亡。從表1可以明顯地看到不同時間的紫外線照射、是否經過光修復果蠅存活率的差異。

在實驗過程中，發現經過長時間紫外線照射的果蠅幼蟲，身體盤曲、皺縮。在顯微鏡下觀察，發現其體內組織變黃，出現黑色斑點，甚至看不清楚氣管等結構。部分幼蟲可以發育成蛹，但是不能繼續發育為成蟲，照射的時間越長，幼蟲存活的天數越短。存活的成蠅與沒有照射過紫外線的成蠅比較，活動能力下降，出現殘翅個體較多，可能是紫外線照射導致了果蠅產生基因突變。由此可見，紫外線不僅破壞了幼蟲的結構組織，影響其發育，還能導致基因突變，甚至產生致死效應。

3.2 紫外線對浮萍生長、繁殖的影響(圖1)

圖1顯示了紫外線對浮萍生長、繁殖的影響，在沒有紫外線照射的情況下，浮萍數量逐漸增加。照射過2 min紫外線的浮萍增長速度變得緩慢，但是觀察發現，在形態上與對照無明顯的區別。如果紫外線照射時間達到5 min時，在第二天就可以發現葉狀體斷裂的現象，所以短期內葉狀體數目高于對照組，但是斷裂的葉狀體個體較小，生長緩慢。在第三、四天可以觀察到有的葉片變得黃白，有的葉片上可以看到棕色斑點，后期會逐漸枯死。

本實驗現象驗證了紫外線對生物傷害的劑量效應。紫外線照射時間較短時，生物體可以進行自我修復，也沒有明顯的形態表現，但是紫外線輻射到達一定強度時，就會與對照組形成較大的差異。可以利用浮萍的這些特點，將浮萍作為環境中紫外線輻射強度的指示劑。

4 討論

紫外線已經廣泛應用到了生活中的各個領域，檢驗鈔票、處理污水、實驗室滅菌、手術治療等。電視、熒光燈、電腦主機也會釋放少量的紫外線，臭氧層空洞的出現，越來越多的紫外線到達地球表面。通過對實驗結果的觀察，學生可以認識到紫外線不僅可以誘發基因突變，而且對生物的生長發育以及組織結構都會產生一定的影響，對于一些較為弱小的生物，這些傷害可能是致命的。對于具體的生物機制，本活動未做深入的研究，以期望可以激發學生日后的探究興趣。

本活動選用的三種實驗材料均是學生非常熟悉的，而且容易獲得。香蕉在市場中可以買到，但是在實驗所用的香蕉最好采用捏起來比較硬的國產香蕉。果蠅的收集以及培養基的配置可采用劉金香介紹的方法，由于實驗中要用到大量的三齡幼蟲，而且盡量要采用同一生長周期的幼蟲，所以最好能夠能在實驗的準備階段同時培養多瓶果蠅。浮萍在春夏兩季的水田、池塘、湖泊中都可以取得。整個實驗過程的操作、觀察控制在一周以內，實驗現象明顯，成功率高，完全可以在中學開展。但是滅菌燈對眼睛有傷害，在實驗過程中，教師需要提醒學生注意。

參考文獻:

[1]朱王葆，劉永，羅祖玉，輻射生物學[M]，北京:科學出版社，1987:101--106

[2]張飛雄，普通遺傳學[M]，北京:科學出版社，2004:157—161

[3]Kouichi Morimoto，Demonstrating the influence of UV rays on living things[J]，Journal of Biological Education，2002，37 (1):39-43

[4]劉金香，野生果蠅的收集與培養[J]，生物學通報，2000，35(11):35—36