探究鳥卵外部結(jié)構(gòu)與功能及其在進(jìn)化中的地位

張艷 李秋菊

摘要為幫助學(xué)生建構(gòu)“卵殼、卵殼膜的保護(hù)作用，能減少水分的丟失”的重要概念，對(duì)人教版教材中“觀察雞卵的結(jié)構(gòu)”的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了拓展，重新設(shè)計(jì)幾個(gè)直觀形象的實(shí)驗(yàn)，探究了卵殼的保護(hù)、透氣、防菌、保濕、顏色、外形及卵殼膜的滲透作用，充分論證鳥卵外部結(jié)構(gòu)對(duì)陸地生活的高度適應(yīng)性，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)鳥卵結(jié)構(gòu)功能與其生活環(huán)境相適應(yīng)的生命觀念的理解。

關(guān)鍵詞鳥卵 卵殼 卵殼膜 滲透作用

“鳥的生殖和發(fā)育”是人教版義務(wù)教育教科書八年級(jí)下冊(cè)第七單元第一章第四節(jié)的內(nèi)容，教材安排了“觀察雞卵的結(jié)構(gòu)”的實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生通過對(duì)雞卵結(jié)構(gòu)的觀察分析，形成“鳥卵既可貯存豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供胚胎發(fā)育需要；又有卵殼、卵殼膜的保護(hù)，能減少水分的丟失”的重要概念，進(jìn)一步建立起鳥卵結(jié)構(gòu)功能與其生活環(huán)境相適應(yīng)的生命觀念。但教材中的這個(gè)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于對(duì)鳥卵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察，對(duì)“卵殼、卵殼膜的保護(hù)作用，能減少水分的丟失”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)概括性過強(qiáng)，很難直接說明結(jié)論，亦無(wú)法充分展現(xiàn)鳥卵的卵殼、卵殼膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和高度適應(yīng)性。因此筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了拓展創(chuàng)新，不但重新設(shè)計(jì)幾個(gè)直觀形象的實(shí)驗(yàn)，充分論證鳥卵外部結(jié)構(gòu)對(duì)陸地生活的高度適應(yīng)性；更創(chuàng)造性地引入其他卵生動(dòng)物卵與鳥卵形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步突出鳥卵外部結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性；并適時(shí)引入進(jìn)化的觀點(diǎn)，為學(xué)生后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)及創(chuàng)新點(diǎn)

鳥卵在陸地孵化和發(fā)育過程中面臨著很多困難，諸如物理傷害、多氧、微生物、缺水、天敵等。鳥卵的外部結(jié)構(gòu)卵殼和卵殼膜如何適應(yīng)這些惡劣環(huán)境，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)帶領(lǐng)學(xué)生們探究了卵殼的保護(hù)、透氣、防菌、保濕、顏色、外形及卵殼膜的滲透作用。整個(gè)實(shí)驗(yàn)以雞卵為例。

2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1探究卵殼作用之一——保護(hù)

教師：由于雞卵在孵化時(shí)能承受住母雞的體重及其他物理傷害，所以卵殼必定是十分堅(jiān)固的。它到底有多堅(jiān)固呢？為什么能這么堅(jiān)固呢？我們通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是“腳踩雞蛋”。教師請(qǐng)一位學(xué)生雙腳踩在一些雞蛋上，雞蛋未破。教師通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)向?qū)W生直觀展現(xiàn)出卵殼的堅(jiān)固。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是“筆戳蛋殼”。教師在手中放半個(gè)卵殼，凸面朝上，讓筆尖在距其10 cm的高度垂直落下，最終卵殼完好如初。

學(xué)生親眼看到卵殼如此堅(jiān)固，這與學(xué)生頭腦中的前概念產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)了學(xué)生探究卵殼堅(jiān)固原因的興趣。教師適時(shí)引入解釋，這是因?yàn)槁褮さ耐庑螐澢鶆蚯覍?duì)稱，這種形狀可以將受到的壓力均勻傳給其他部分，并且巧妙地相互抵消，從而能夠承受很大壓力。同時(shí)教師拓展：這種結(jié)構(gòu)在社會(huì)生活中的應(yīng)用實(shí)例，比如石拱橋和安全帽。

但是從另一個(gè)角度來(lái)說，卵殼這么堅(jiān)固，雛雞是不是不容易出來(lái)呢？接著教師帶領(lǐng)學(xué)生再做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。將卵殼凹面朝上拿在手中，讓筆尖同樣從10 cm高度垂直落下，可以觀察到卵殼輕易就碎了。這是因?yàn)橥饬κ菑穆褮?nèi)部施加，力就會(huì)集中在一點(diǎn)，從而使卵殼輕易碎掉。所以卵殼的巧妙結(jié)構(gòu)使得雞卵既可以避免機(jī)械損傷，又能讓小雞輕松出殼。

2.2探究卵殼作用之二——透氣

卵殼除了能保護(hù)胚胎以外，還要解決鳥卵發(fā)育中所需氧氣的問題。這要依靠卵殼上的氣孔來(lái)完成。但如何證明氣孔的存在？學(xué)生聯(lián)想到葉片上氣孔的檢測(cè)方法，獨(dú)立思考想出了辦法把雞蛋放進(jìn)溫水中，卵殼表面有氣泡產(chǎn)生，說明卵殼有氣孔。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出卵殼具有透氣的作用，能為胚胎發(fā)育提供空氣。

2.3探究卵殼作用之三——防菌

教師：卵殼上既然存在氣孔，微生物等有害物質(zhì)不是也能輕易侵入？卵殼能否起到防菌的作用？我們將進(jìn)行探究卵殼的防菌性。

教師準(zhǔn)備1號(hào)培養(yǎng)皿中放入未洗過的雞蛋，2號(hào)放入清洗過的雞蛋，3號(hào)放入去卵殼的雞蛋，4號(hào)放入去卵殼和卵殼膜的雞蛋，5號(hào)放入去卵殼和卵殼膜且蛋黃攪散的雞蛋。為了加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，先給培養(yǎng)皿內(nèi)各雞卵接種霉菌后放入恒溫箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)4 d后，5號(hào)培皿中的材料開始腐敗；培養(yǎng)6 d后，4號(hào)材料也開始變質(zhì)，8 d后3號(hào)出現(xiàn)霉點(diǎn)。最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明保存最久的是未洗的雞蛋，在26℃恒溫箱中可保存約15 d。

未清洗的雞蛋保存時(shí)間久的原因是除了有卵殼起保護(hù)作用外，卵殼外還有兩層護(hù)膜。護(hù)膜的發(fā)現(xiàn)很意外，是在制備無(wú)殼卵的過程中發(fā)現(xiàn)的。無(wú)殼卵的獲得實(shí)質(zhì)是將卵殼和卵殼膜分離的過程，目前主要有物理法、化學(xué)法和酶解法三種筆者采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的白醋浸泡法。在浸泡的過程中發(fā)現(xiàn)白醋的液面上出現(xiàn)了一層有顏色的膜，原來(lái)棕色的雞蛋殼變成了白色。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，查閱了大量資料，終于找到原因：這層有顏色的膜是護(hù)膜，為透明蛋白質(zhì)薄膜，分為兩層，內(nèi)層緊粘真殼，形成斑狀紋理，外層護(hù)膜形成卵殼的底色。其中外層護(hù)膜允許氧氣、二氧化碳等氣體自由進(jìn)出，但卻能阻擋微生物侵入。由此，師生總結(jié)出卵殼的作用：可有效抵擋微生物的侵入，同時(shí)由于外層護(hù)膜易溶于水，所以保存雞蛋時(shí)最好不要清洗。

2.4探究卵殼及卵殼膜作用之四——保濕

教師微生物體積相對(duì)較大，卵殼可以阻擋，但雞卵內(nèi)部的小分子物質(zhì)如水分子，也能被卵殼阻擋而不散失嗎？接下來(lái)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)就是探究卵殼的保濕性。

準(zhǔn)備兩個(gè)空卵殼，1號(hào)有殼膜，2號(hào)無(wú)殼膜；取三個(gè)100mL量筒，分別裝滿100mL水，將1號(hào)和2號(hào)卵殼分別倒扣到量筒上。將3個(gè)量筒置于通風(fēng)處，3 d后，3個(gè)量筒內(nèi)水面分別下降1、1、3 mL。由于此時(shí)卵殼膜已經(jīng)完全干燥，故而實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1號(hào)和2號(hào)量筒內(nèi)水面下降刻度相差不大，表明卵殼膜的保濕效果似乎并不明顯。學(xué)生推測(cè)：是否是因?yàn)槁褮つじ稍锊艑?dǎo)致其失去效用的呢？師生查找資料后發(fā)現(xiàn)，卵殼膜確實(shí)不具備保濕功能。由此，師生總結(jié)出卵殼的作用：防止水分散失。兩棲動(dòng)物卵離開水僅幾小時(shí)就會(huì)失去活性，鳥卵結(jié)構(gòu)在防止水分散失方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于兩棲動(dòng)物。

2.5探究卵殼膜作用之五——滲透

教師：鳥卵除了能有效抵抗陸地環(huán)境中出現(xiàn)的各種危機(jī)，還要能有效解決其自身孵化時(shí)遇到的各種情況。如胚胎發(fā)育需要穩(wěn)定滲透壓，這個(gè)問題怎么能解決呢？

考慮到卵殼膜是一種半透膜，應(yīng)具有半透性，所以教師引導(dǎo)學(xué)生探究卵殼膜的滲透作用。由于半透膜不允許大分子物質(zhì)如蔗糖等通過，只允許小分子物質(zhì)如水、無(wú)機(jī)鹽離子等通過，所以本實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，分別探究卵殼膜在蔗糖溶液及飽和食鹽水中的滲透作用。

第一組：將雞卵用醋浸泡2 d，得到3枚無(wú)殼卵，將其分別放入裝有空氣（1號(hào)）、清水（2號(hào)）及飽和食鹽水（3號(hào)）的燒杯中靜置。

第二組：用同樣方法制備7枚無(wú)殼卵，分別放入7個(gè)燒杯中：1號(hào)空氣、2號(hào)清水，3號(hào)到7號(hào)燒杯中分別注入濃度為0.1、0.2、0-3、0.4、0.5 g/mL的蔗糖溶液。這組蔗糖溶液濃度值的設(shè)定是參考植物細(xì)胞質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)。

連續(xù)觀察2 d后，第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)殼卵在清水及鹽水中均出現(xiàn)體積增大現(xiàn)象，表明卵殼膜允許如水、鹽離子等小分子物質(zhì)透過；且在濃鹽水中卵顏色還出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象，這是濃鹽水使蛋白質(zhì)析出所致。飽和食鹽水使無(wú)殼卵體積增大現(xiàn)象與植物細(xì)胞在飽和食鹽水中失水、體積縮小的現(xiàn)象相反，說明卵殼膜的透性比細(xì)胞膜高，是一種過濾膜。第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在0.3g/mL濃度的蔗糖溶液中無(wú)殼卵吸水失水達(dá)到平衡，體積變化不大；在低滲蔗糖溶液中（0.1、0.2g，mL濃度）無(wú)殼卵出現(xiàn)明顯吸水現(xiàn)象導(dǎo)致體積增大；在高滲溶液（0.4、0.5g/mL濃度）中無(wú)殼卵出現(xiàn)明顯失水現(xiàn)象導(dǎo)致體積縮小，表明卵殼膜能夠阻擋蔗糖等大分子透過。由此，師生得出結(jié)論：卵殼膜具有半透性，其作用是在鳥類的胚胎發(fā)育中維持鳥卵內(nèi)部滲透壓，保護(hù)胚胎。

2.6探究鳥卵顏色對(duì)其生存的意義

卵殼的堅(jiān)固、透氣、防菌、保濕功能主要是在自然狀態(tài)下起作用，但在面對(duì)天敵時(shí)卵殼是否還能出其不意克敵制勝呢？師生觀察了不同環(huán)境中生活的鳥卵的顏色，如在沙灘上生活的潛鳥的卵，其顏色為土黃色，與沙地石塊顏色接近（甚至有時(shí)連親鳥都分不清楚而出現(xiàn)孵化石頭的現(xiàn)象）；以干草為材編織鳥巢的鳥，其卵常帶有花紋；在樹林中營(yíng)巢的鳥，產(chǎn)藍(lán)色或紫色的卵，這樣通過樹枝透進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光，明暗相雜，正好與卵顏色相混淆，使之難以被發(fā)現(xiàn)。

由此，學(xué)生可知：鳥卵顏色及花紋圖案與其生存環(huán)境及所在巢類型顏色近似，具有保護(hù)色作用，極大提高鳥卵生存率。

2.7探究鳥卵外形對(duì)其生存的意義

鳥卵在孵化過程中，親鳥翻動(dòng)鳥卵時(shí)可能出現(xiàn)鳥卵掉落巢外的情況，對(duì)此鳥卵是否也有適應(yīng)呢？觀察雞卵外形，發(fā)現(xiàn)鳥卵一頭略尖，一頭鈍圓，即洋梨形。將雞卵放在桌子上，輕輕地推動(dòng)，它總是轉(zhuǎn)圈滾動(dòng)而不至于滾遠(yuǎn)，滾動(dòng)時(shí)鈍圓的一頭朝外，鈍圓一端有氣室，若有損傷，也不至于影響全卵。通過滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可知：鳥卵的特殊外形使其不容易掉落巢外，提高孵化的成活率。

綜上所述，通過實(shí)驗(yàn)師生可以總結(jié)出鳥卵的外部結(jié)構(gòu)是與其生活的陸地環(huán)境高度適應(yīng)的。學(xué)生將鳥卵與另一種也能將卵產(chǎn)在陸地上的脊椎動(dòng)物——爬行動(dòng)物的卵對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：雖然其卵也具有卵殼和卵殼膜，但卵殼顏色均為白色，不具備鳥卵的保護(hù)色功能；爬行動(dòng)物卵殼外形為正橢圓形，不具備洋梨形鳥卵防止翻落巢外的功能；卵殼硬度很低，保護(hù)作用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如鳥卵。鳥卵是迄今為止結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，陸地適應(yīng)性最強(qiáng)的卵。通過對(duì)兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物和鳥類卵的結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)生物進(jìn)化的總體趨勢(shì)：由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由低等到高等，由水生到陸生。

3實(shí)驗(yàn)反思

本實(shí)驗(yàn)是在人教版教材“觀察雞卵的結(jié)構(gòu)”基礎(chǔ)上的一次大膽的嘗試和探索，旨在幫助學(xué)生學(xué)會(huì)向科學(xué)家一樣思考問題，在科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中尋找和驗(yàn)證問題的答案，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維。本實(shí)驗(yàn)的切入點(diǎn)從學(xué)生最熟悉的雞蛋入手，設(shè)計(jì)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)既簡(jiǎn)單直觀，又充滿濃厚的生活氣息，真正讓生物學(xué)知識(shí)“活”起來(lái)。在教學(xué)中，教師還有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)了豐富的實(shí)驗(yàn)情境，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究的熱情欲望，在通過實(shí)驗(yàn)建構(gòu)“卵殼、卵殼膜的保護(hù)作用，能減少水分的丟失”的重要概念，完善鳥卵知識(shí)體系的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生逐步形成科學(xué)的思維習(xí)慣和掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。