種子在無氧條件下萌發實驗的改進與探究

孫 娟 趙星杰

（北京市首都師范大學附屬回龍觀育新學校 北京 102208）

種子萌發是生活中常見的生命現象，7年級生物學教材（上冊）的“種子萌發條件的探究”實驗提出種子萌發既受到內部條件限制，也受到外部環境影響的觀點。而且，通過實驗證實種子萌發需要適宜的溫度、一定的水分和充足的空氣［1］。其中，種子在缺乏空氣或氧氣條件下的萌發實驗，實驗條件較難控制。開展此項實驗的學校，一般是按照教材設計，直接采用密封瓶完成。然而，瓶內殘留的氧氣也可以被細胞利用，這將造成一定偏差；若將種子用水淹沒后進行無氧萌發實驗，水本身也會造成一定干擾；若使用氮氣排除氧氣，則存在價格昂貴、操作復雜等問題。

由此可見，無氧瓶的制作不是過于復雜就是未能排盡瓶內殘余氧氣。若僅僅制作一個密閉空間進行萌發實驗，則說服力不強。除此之外，萌發實驗結束后，很少有人再去探究種子在此過程產生的代謝產物。

高中生物學必修1《分子與細胞》模塊中，通過細胞呼吸的探究實驗，介紹酵母菌細胞呼吸的方式，并驗證其有氧呼吸和無氧呼吸的終產物。此外，教材還指出多數植物細胞無氧呼吸的終產物都是酒精和二氧化碳，少數是乳酸［2］，但并沒有通過實驗進行驗證。

以上2部分都是中學生物學的重要內容，且關系密切。因此，筆者將初中階段“種子在無氧條件下的萌發”實驗和高中階段“細胞無氧呼吸”實驗有機結合，通過物理學、化學、生物學知識的綜合應用，設計了一種新式無氧瓶，探究種子在無氧條件下萌發的過程以及無氧條件萌發的代謝產物。

學生通過文獻檢索、方案設計和誤差分析等步驟，完成了這項綜合實驗。在探究過程中，學生將初、高中知識和各學科知識有機結合，同時，學生的質疑精神和探索的勇氣也得以充分展現，學科素養和綜合能力都有所提升。

1 實驗原理

為了制造完全無氧的環境，選擇密閉性良好的廣口瓶和橡膠塞作為基礎裝置，并加以改造（圖1），其核心是通過火柴燃燒耗盡瓶內氧氣，并通過新鮮蘋果片被氧化后的顏色變化監測瓶內的氧氣殘留情況，具體操作如下：1）瓶底鋪適量脫脂棉，滴入適量水分，將種子均勻地放置在脫脂棉上；2）為了收集種子萌發過程中的氣體代謝產物，將瓶塞打孔后接入2個玻璃管，玻璃管末端接橡膠管并用夾子夾住；3）利用熱熔膠在瓶塞上固定3~5枚火柴棒，并在瓶內放置1個新鮮蘋果片；4）點燃火柴后，迅速將瓶塞塞入瓶口，火柴燃燒消耗瓶內氧氣，氧氣耗盡后，火柴自動熄滅，瓶內殘余的微量氧氣會使蘋果片從白色變為淺黃色，之后顏色不再變化；5）將所有縫隙用凡士林涂抹，以保證瓶內外不發生氣體交換。

圖1 無氧瓶設計原理圖

為了檢測種子萌發后的代謝產物，利用排水集氣法收集瓶內氣體，并使用澄清石灰水檢測二氧化碳。同時，按照高中生物學《分子與細胞》中介紹的步驟操作，使用重鉻酸鉀和濃硫酸檢測種子無氧萌發過程中有無酒精生成［2］。若有二氧化碳生成，則澄清石灰水變渾濁；若有酒精生成，則酸性重鉻酸鉀溶液變為灰綠色。反應原理如下：

2 材料與方法

2.1 材料 廣口瓶、橡膠塞、玻璃管、火柴棒、黃豆種子等；新鮮蘋果、脫脂棉、熱熔膠、澄清石灰水、濃硫酸、重鉻酸鉀、凡士林、蒸餾水等。

2.2 方法 首先，在無氧組和有氧組（不加蓋瓶塞）的脫脂棉上滴加適量蒸餾水,在2組脫脂棉上各放12粒飽滿、無破損的干黃豆（萌發率約為85%）；其次，按照實驗原理，在無氧組的廣口瓶中放置1個新鮮蘋果片，將火柴點燃后迅速塞入瓶內（圖2）；最后，將無氧組和有氧組置于室溫（約25℃）條件下萌發，每天監測無氧瓶中蘋果片顏色變化，并記錄種子的萌發情況。

圖2 火柴燃燒耗盡廣口瓶內氧氣

3 結果與討論

3.1 無氧組與有氧組種子萌發結果 在適宜條件下，有氧組黃豆種子全部萌發，且隨著時間推移不停生長。然而，與預期不同的是，無氧瓶內的種子也有50%左右在吸水之后長出一定長度的胚根，但是最長也在7 mm以內，并且3 d后停止生長，多次重復實驗都得到類似結果。

由此推測，種子在無氧環境中，利用細胞的無氧呼吸產生少量能量，以供應種子代謝，但是，無氧呼吸產生的能量較少，無法像有氧組中的種子一樣正常生長。

為進一步確認種子是否進行了無氧呼吸，收集無氧環境中種子萌發的代謝產物進行檢測。資料顯示，高等植物無氧呼吸會產生二氧化碳和酒精［2］，反應式如下：

3.2 種子無氧萌發代謝產物二氧化碳的檢測利用排水集氣法將無氧瓶內氣體壓入澄清石灰水中，澄清石灰水變渾濁。但火柴燃燒也會產生二氧化碳，所以種子萌發前無氧瓶內的二氧化碳含量也需要檢測。在對照實驗中，澄清石灰水也變渾濁。結果顯示，種子無氧萌發前、后石灰水渾濁度較相似，所以仍需進一步采用二氧化碳傳感器等更加精密的儀器進行檢測，以確定無氧呼吸過程中二氧化碳含量的變化。

3.3 種子無氧萌發代謝產物酒精的檢測 將無氧瓶中的黃豆掰開，可以聞到其散發出濃郁的酒精氣味，進一步利用酸性重鉻酸鉀對酒精含量進行檢測。取適量濃硫酸與重鉻酸鉀的混合液，滴加至種子表面，30 s后用清水沖洗干凈，觀察種子顏色變化，實驗結果如表1所示，無氧組的種子表面明顯變綠，而未進行萌發實驗的黃豆種子幾乎沒有任何變化。而且，胚根越長，種子酒精含量越高，說明其無氧呼吸程度越大。為避免蘋果在無氧瓶中產生的酒精干擾實驗，將煮熟的黃豆置于無氧瓶中萌發。經檢測后發現，煮熟后的黃豆未明顯變綠，說明熟種子在無氧瓶中未產生酒精，也幾乎未吸收蘋果產生的酒精；按照同樣操作處理有氧組種子（有氧、室溫、避光條件下萌發），種子表面無明顯變化（表1）。

表1 無氧組與有氧組酒精檢測結果

結果說明，活種子在無氧條件下確實能夠進行無氧呼吸，以產生少量能量供應細胞代謝活動使用。

4 實驗結論

由以上實驗可知，黃豆種子在無氧條件下不能萌發或只能長出很短的胚根，雖然細胞通過無氧呼吸產生一定的能量，但其尚不足以滿足種子的能量需求。同時，由于無氧呼吸會積累酒精，酒精對植物有毒害作用，故種子在無氧環境中很快停止生長直至死亡。據此推測，無氧呼吸可能是種子在無氧環境中的一種應激能力，雖然供能量較小且時間短暫，卻有利于提高種子在特殊環境下的生存幾率。

利用火柴燃燒消耗氧氣的特點制作無氧瓶，并進行無氧萌發實驗，全程使用新鮮的蘋果片作為指示，時刻都能觀察到瓶內是否有氧氣進入。最后，通過氣味判定和化學方法檢測種子內酒精含量，操作簡單且現象明顯。

無氧瓶設計綜合運用物理學、化學與生物學知識，加強了學科間的關聯性，其價格低廉、操作簡單，且增加了初、高中生物學知識間的銜接性，在中學教學中具有極大的推廣價值。