探究蔗糖溶液與Nacl溶液對質壁分離效果的影響

李中原

【內容摘要】質壁分離與質壁分離復原是高中生物的一個經典實驗。我校進行此實驗時用30%的蔗糖溶液，但在實驗過程中發現用蔗糖溶液進行實驗的成功率并不高，而且發現蔗糖溶液極易污染顯微鏡載物臺以及物鏡。筆者通過設置1%～5%以及10%的Nacl溶液探究出用3%的Nacl溶液處理洋蔥鱗片葉表皮細胞發生質壁分離與質壁分離復原的成功率大幅提高。讓學生比較蔗糖溶液與Nacl溶液對實驗效果的影響能夠培養學生綜合分析、數據處理的能力，同時激發學生的學習興趣，增強學生的科學素養。

【關鍵詞】質壁分離 質壁分離自動復原 蔗糖溶液 Nacl溶液

一、問題的提出

質壁分離與質壁分離復原實驗是教材上一個經典的實驗，教材中使用的質壁分離試劑都是0.3g/mL（即30%）的蔗糖溶液。讓學生按照書上的步驟按部就班的進行實驗，學生基本能順利完成實驗，但學生的總結歸納、綜合分析能力沒能得到很好的鍛煉。

我校多年來質壁分離與質壁分離復原實驗所用試劑為30%蔗糖溶液，在實驗的過程中也發現了一些問題，主要集中在以下幾個方面。

1.配制蔗糖溶液時，蔗糖的溶解速度較慢，在一定程度上會影響實驗進程。

2.學生很容易因操作不當將蔗糖溶液滴灑在載物臺上，過一段時間后載物臺上就變得黏糊糊的很難清理，給后面的實驗者帶來麻煩。

3.實驗結束后，有的學生未及時清洗載玻片和蓋玻片，容易導致載玻片和蓋玻片粘連在一起。

4.學生在使用蔗糖溶液時有時候不慎將物鏡（尤其高倍物鏡）粘上蔗糖溶液，很難用擦鏡紙擦拭干凈。

5.目鏡和物鏡如果不慎留有蔗糖溶液，沒有經過及時清理就會發霉，從而影響顯微鏡的使用。

為更好的培養學生自主綜合分析能力以及學習興趣，也為了解決蔗糖溶液所帶來的諸多不便，筆者在實驗中引入了Nacl溶液，讓學生在探索、對比中找出使用蔗糖溶液與Nacl溶液對完成質壁分離以及質壁分離復原實驗的優缺點。

二、活動準備

1.取材

新鮮的洋蔥鱗片葉一片。

2.試劑

30%的蔗糖溶液，1%、2%、3%、4%、5%、10%的Nacl溶液（有研究表明當Nacl溶液濃度為0.7%～5%左右時，發生質壁分離后能夠復原，而低于此濃度不發生質壁分離，高于此濃度不能發生質壁分離復原①），清水。

3.預實驗

筆者按照教材中的實驗步驟分別用不同濃度的Nacl溶液進行了預實驗（由于30%蔗糖溶液以前已被多次使用，故在預實驗中省去了30%蔗糖溶液）。將制作好的洋蔥鱗片葉表皮細胞臨時裝片放在放大倍數為100倍的光學顯微鏡進行連續觀察。當滴加Nacl溶液時開始計時，記錄開始發生質壁分離時間、完成質壁分離時間、開始質壁分離復原時間以及完成質壁分離復原時間，對完成質壁分離用時、完成質壁分離復原用時、質壁分離程度以及質壁分離復原程度進行統計。質壁分離程度的判定：能觀察到原生質層與細胞壁有較明顯的分離記為“+”；能觀察到原生質層與細胞壁有明顯的分離記為“++”；能觀察到原生質層與細胞壁完全分離記為“+++”；能觀察到原生質層與細胞壁分離十分明顯，原生質層有過度收縮傾向記為“++++”；能觀察到原生質層與細胞壁分離十分明顯，原生質層過度收縮記為“+++++”。質壁分離復原程度的判斷：能夠迅速恢復到原狀態，液泡占據幾乎整個細胞記為“+++++”；能夠較快恢復原狀態，液泡占據幾乎整個細胞記為“++++”；能夠恢復原狀態，液泡占據大部分細胞記為“+++”；能夠恢復原狀態，液泡占據部分細胞記為“++”；長時間不能夠恢復原狀態，液泡沒有明顯變大跡象記為“+”。預實驗結果如表1。

注：+表示質壁分離與質壁分離復原程度

可以看出在1%～10%的Nacl溶液中，隨著溶液濃度的增大質壁分離用時變短，而質壁分離復原用時則隨著溶液濃度的增大而增長。當Nacl溶液濃度為1%時，洋蔥表皮細胞基本上不發生質壁分離現象，因此質壁分離復原時間未能準確測量。當Nacl溶液濃度為2%-5%范圍時，質壁分離復原率隨著Nacl溶液濃度的增加有所下降。當Nacl溶液濃度為10%時，洋蔥表皮細胞發生極明顯的質壁分離現象，液泡極度皺縮，導致細胞因過度失水而死亡，細胞未出現質壁分離復原現象。

預實驗過程中筆者還積極探索了撕取洋蔥表皮的方法，通過查閱文獻發現用雙手由內向外掰，從折斷處順勢輕撕，能夠很容易撕取單層的洋蔥鱗片葉紫色外表皮。筆者經過驗證發現由于新鮮的洋蔥十分脆，很容易折斷，因此能夠較順利的撕取單層洋蔥鱗片葉表皮細胞。

三、學生實驗

讓學生隨機的坐在實驗室內，每2個人一張實驗桌[筆者共對兩個班學生進行了實驗，分別為高一（1）班及高一（6）班，人數分別是53人、54人]，每個實驗桌發放新鮮的洋蔥鱗片葉表皮一片、鑷子、顯微鏡、蓋玻片一盒、載玻片2張等相關實驗儀器以及3%的Nacl溶液和30%的蔗糖溶液。

在學生實驗前，筆者注意到了以下2方面問題：

1.用2%-5%的Nacl溶液處理的洋蔥鱗片葉表皮細胞隨著Nacl溶液濃度的增加，質壁分離復原率有所下降，但用2%、3%的Nacl溶液處理的洋蔥鱗片葉表皮細胞質壁分離復原率在可接受范圍內。

2.每組學生必須在短短的45分鐘內同時完成用蔗糖溶液及Nacl溶液處理洋蔥鱗片葉表皮細胞并對這兩種溶液處理效果做出評估，必須要合理安排時間才能保證實驗能夠順利完成。綜合考慮用Nacl溶液觀察洋蔥鱗片葉表皮細胞的質壁分離與質壁分離復原時間控制在10分鐘之內最為合適，故將濃度為3%的Nacl溶液用作學生實驗。蔗糖溶液濃度依然選用教材中給出的0.3g/ml。學生實驗結果見表2。

可以看出，用30%蔗糖溶液進行實驗高一（1）班的學生能夠順利完成實驗的概率是65.4%，高一（6）班能夠順利完成實驗的概率是74.1%；用3%Nacl溶液高一（1）班的學生能夠順利完成實驗的概率是88.5%，高一（6）班能夠順利完成實驗的概率是92.6%。由此得出用3%Nacl溶液進行實驗的成功率要比用30%蔗糖溶液進行實驗高很多。另外筆者還發現用3%Nacl溶液處理的洋蔥表皮細胞更能夠易于觀察到質壁分離現象，原因是用質量分數為3%Nacl溶液處理的洋蔥鱗片葉表皮細胞普遍發生質壁分離現象，而用蔗糖溶液處理的洋蔥鱗片葉表皮細胞多集中在一部分細胞發生質壁分離（下圖）。筆者查閱相關資料未發現能夠解釋這種現象的原因，通過后續的重復實驗觀察筆者推測這種現象可能是Nacl溶液要比蔗糖溶液更加容易進入到細胞間隙中導致。

蔗糖溶液處理后的洋蔥表皮細胞

Nacl溶液處理后的洋蔥表皮細胞

有研究表明，Nacl溶液濃度為2%～6%的時候約有50%～90%的細胞發生質壁分離②。由于細胞內外存在濃度差，當外界溶液為30%蔗糖溶液或者3%Nacl溶液時，細胞會失水。由于失水，原生質層就會向內較大幅度收縮，而細胞壁由于伸縮性較差收縮幅度很小，從而導致細胞原生質層與細胞壁發生分離，質壁分離后的液泡紫色加深，呈現不規則的圖形，如月牙形和啞鈴型。

四、小結

通過上述對比實驗，筆者認為：

1.隨著Nacl溶液濃度增大，細胞外液與細胞液的濃度差變大，質壁分離的速度變快，分離的細胞數量隨之增多，現象越明顯。在滴加清水后，原本紫色變深的液泡顏色逐漸變淺直至發生質壁分離的細胞全部復原。

2.在取材上，用對折洋蔥鱗片葉撕取表皮的方法比經典的用小刀劃“#”，再用鑷子撕取表皮的方法好，其優點是容易操作而且所取表皮一般為單層洋蔥鱗片葉細胞，有利于顯微鏡下觀察細胞的形態變化，提高實驗的成功率。

3.在配制質壁分離試劑上，用Nacl作溶質配制質壁分離試劑比蔗糖的效果好。在試劑的濃度上，用質量分數2%～5%NaCl溶液優于教材中介紹的30%蔗糖溶液，其中尤以質量分數3%NaCl溶液為佳。即使不慎有少量NaCl溶液滴落在載物臺或物鏡上，用吸水紙揩干即可，不會產生粘連和粘稠感。

4.從經濟價值上考慮，800人做1次該實驗約需1kg蔗糖，而改用食鹽，只需0.05kg，市場上食鹽要比蔗糖便宜很多，可以節約開支，降低實驗教學的成本。

有老師認為使用Nacl溶液會有質壁分離自動復原現象，筆者在預實驗以及學生實驗中未發現此現象。通過查閱相關文獻，筆者發現趙則信研究了鈉離子、氯離子、氨根離子、硝酸根離子等對質壁分離自動復原的影響，他的實驗證實引起質壁分離自動復原的離子是硝酸根離子，這也就解釋了為什么用Nacl溶液處理洋蔥鱗片葉表皮細胞沒能發現發生質壁分離自動復原現象③。

【注釋】

① 童席征、劉紅生、毛喜生. 影響“植物細胞質壁分離和復原”的若干因素的研究，《生物學通報》，1998年第33卷第7期.

② 顧怡、胡興昌. 應用Nacl進行“植物細胞質壁分離及復原實驗”的探索，《生物學教學》，2012年（第37卷）第6期，47.

③ 趙則信. 影響質壁分離自動復原因素的實驗探究，《林區教學》，2012年第7期總第184期108-109.

（作者單位：安徽省合肥市第十中學）