“斑馬魚早期胚胎發(fā)育”創(chuàng)新型觀察實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

吳 謙 胡逸華 吳承玫

(浙江省杭州學(xué)軍中學(xué) 310012)

1 教材分析

“胚胎工程”是浙科版高中生物學(xué)教材選修3第三章的內(nèi)容，主要是圍繞動(dòng)物從受精卵發(fā)育至幼體胚胎的過程，介紹體外受精的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展胚胎體外培養(yǎng)、胚胎移植等胚胎工程方面的先進(jìn)科學(xué)進(jìn)展。由于體外受精和胚胎發(fā)育的概念離日常生活較遠(yuǎn)，學(xué)生難以對(duì)這些概念產(chǎn)生直觀、感性的認(rèn)識(shí)。因此，若能以觀察實(shí)驗(yàn)的方式將早期胚胎發(fā)育過程呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓他們自己通過顯微鏡來見證胚胎發(fā)育的全過程，將會(huì)在鍛煉實(shí)驗(yàn)操作能力的同時(shí)，深化對(duì)教材知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)對(duì)生物學(xué)的興趣。

2 學(xué)情分析

2.1 實(shí)驗(yàn)操作方面 教材中有多個(gè)實(shí)驗(yàn)需要使用顯微鏡。因此，學(xué)生對(duì)顯微鏡已經(jīng)有了較為豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。但以往用顯微鏡觀察的樣品均為切、壓后的處理樣品，而這次觀察的樣品卻為立體的、發(fā)育中的圓形胚胎。因此，學(xué)生需要掌握在鏡下的操作方法，即在目鏡觀察的同時(shí)，用毛細(xì)槍頭的尖端對(duì)胚胎進(jìn)行撥動(dòng)和調(diào)整位置。這對(duì)學(xué)生的協(xié)調(diào)能力和使用顯微鏡的水平提出較高的要求，將會(huì)極大地鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，調(diào)動(dòng)他們的主觀能動(dòng)性，同時(shí)又增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的參與感。

2.2 知識(shí)儲(chǔ)備方面 在本次實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了減數(shù)分裂與受精作用相關(guān)知識(shí)，了解了生殖發(fā)育的基本規(guī)律，對(duì)高等動(dòng)物均由受精卵發(fā)育而來的事實(shí)有了初步的認(rèn)同。但對(duì)受精卵的形態(tài)結(jié)構(gòu)、發(fā)育過程只有較為模糊的印象。

3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 斑馬魚簡介 斑馬魚(Daniorerio)是原產(chǎn)于印度恒河的熱帶淡水魚，因體側(cè)有藍(lán)白色的縱紋似斑馬而得名。斑馬魚體型較小，易于飼養(yǎng)，產(chǎn)卵量大，體外受精，胚胎早期發(fā)育迅速且透明，因而成為重要的模式脊椎動(dòng)物。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料 雌雄斑馬魚兩對(duì)，配魚用的魚缸、魚撈，小型的透明培養(yǎng)皿(多個(gè))，塑料吸管，毛細(xì)槍頭的尖端(多個(gè))，體視顯微鏡(兩人一臺(tái))。

3.3 準(zhǔn)備步驟 在實(shí)驗(yàn)前一天的夜里，將雌雄斑馬魚放入同一魚缸，但需用擋板將雌雄隔開。斑馬魚習(xí)慣于清晨產(chǎn)卵。因此，實(shí)驗(yàn)宜選擇在早晨8～10時(shí)進(jìn)行。

4 教學(xué)過程

4.1 從生活中見聞導(dǎo)入教學(xué) 設(shè)問： 大家肯定都吃過魚，在看到家人清洗魚肚過程中，有沒有見到過成條的黃色魚籽？(生： 有，是一顆顆粘在一起的。)這些黃色的魚籽其實(shí)就是雌魚的卵細(xì)胞，雌魚被雄魚追尾后就會(huì)將這些卵細(xì)胞排出體外，與雄魚的精子結(jié)合形成受精卵，受精卵(胚胎)再發(fā)育成小魚。今天大家就一起來觀察一下這個(gè)過程。

4.2 實(shí)驗(yàn)演示體外受精現(xiàn)象 魚缸里的雌雄斑馬魚處于被擋板分隔的狀態(tài)，先向?qū)W生簡單介紹斑馬魚的基本知識(shí)，雌魚的肚子比雄魚略大，因?yàn)槔锩嬗性S多待受精的卵細(xì)胞。之后將隔板取出，雄魚便會(huì)開始追逐雌魚，然后雌魚會(huì)向水中排出卵細(xì)胞，這些卵細(xì)胞在水中碰到雄魚排出的精子，形成受精卵。可讓學(xué)生近距離觀察追尾的過程，約5min后雌魚開始產(chǎn)卵，請(qǐng)學(xué)生收集沉降在魚缸底部的胚胎，并記錄下這個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

4.3 小組觀察受精卵發(fā)育狀況 每2位學(xué)生一組，每組分發(fā)約10枚胚胎。每組學(xué)生在顯微鏡下觀察胚胎的發(fā)育狀況(圖1，20×)。在觀察過程中發(fā)現(xiàn)胚胎的最外圍為一層薄的卵殼，里面的球體上半部分為透明狀突起，下面很大的部分則為半透明的物質(zhì)。向?qū)W生講解上面的透明狀部分為受精卵，并可在此處設(shè)問： 下面大部分體積的半透明物質(zhì)是什么呢？

圖1 斑馬魚受精卵鏡下圖

通過逐步提供信息引導(dǎo)學(xué)生得出正確答案： 雌魚把魚卵直接產(chǎn)在體外，這些胚胎靠什么營養(yǎng)長成小魚呢？這種營養(yǎng)物質(zhì)就是現(xiàn)在觀察到下面大部分半透明的物質(zhì)，它富含豐富的營養(yǎng)，稱為卵黃。了解了這些背景知識(shí)，受精卵的觀察就有了一定的目的性。學(xué)生慢慢地會(huì)發(fā)現(xiàn)： 所提供的10枚胚胎，有的是受精卵朝著鏡頭，有的卻是卵黃朝著鏡頭。怎么讓后者的受精卵朝著鏡頭呢？這時(shí)可用到所提供的毛細(xì)槍頭。毛細(xì)槍頭十分柔軟，它的尖端可以用來輕輕撥動(dòng)受精卵，使得受精卵旋轉(zhuǎn)而變換位置。在撥動(dòng)受精卵的同時(shí)，眼睛注視著目鏡，觀察撥動(dòng)的情況，手上再做出相應(yīng)的調(diào)整。這樣的鏡下操作需要一定時(shí)間來練習(xí)，能極大地鍛煉學(xué)生的協(xié)調(diào)能力和實(shí)驗(yàn)操作能力，還能夠讓學(xué)生對(duì)下一步學(xué)習(xí)的胚胎移植技術(shù)產(chǎn)生認(rèn)同。

在胚胎最初發(fā)育的1～2min內(nèi)，受精卵會(huì)逐漸鼓起，這一過程可直觀地在顯微鏡下觀察到。

4.4 觀察胚胎發(fā)育到2細(xì)胞期 經(jīng)過約20min顯微鏡下操作的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)變得熟練。此時(shí)斑馬魚胚胎的受精卵已經(jīng)開始分裂，即將進(jìn)入2細(xì)胞期(圖2)。

圖2 斑馬魚胚胎2細(xì)胞期鏡下圖

學(xué)生在鏡下觀察從單個(gè)受精卵分裂為2個(gè)細(xì)胞的過程，并記錄下每枚胚胎進(jìn)入2細(xì)胞期的時(shí)間(表1)。小組內(nèi)部先比較這10枚胚胎到2細(xì)胞期所需時(shí)間的差異，然后再與其他小組比較平均時(shí)間的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各組的胚胎具有相似的發(fā)育時(shí)間，呈現(xiàn)出同步性。學(xué)生經(jīng)過思考得出結(jié)論： 胚胎的發(fā)育過程是受到精確調(diào)控的。

表1 胚胎進(jìn)入2細(xì)胞期時(shí)間記錄表

胚胎12345678910平均時(shí)間(min)

4.5 胚胎發(fā)育過程的后期觀察 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可將胚胎放在28℃且較為濕潤的地方繼續(xù)發(fā)育。并為學(xué)生提供一張斑馬魚的胚胎發(fā)育時(shí)間表(表2)，讓他們根據(jù)興趣自由選擇在課間、課后等各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)來觀察自己小組的胚胎發(fā)育狀況[1]。

表2 斑馬魚胚胎發(fā)育的時(shí)間表

發(fā)育時(shí)間(h)胚胎時(shí)期發(fā)育時(shí)間(h)胚胎時(shí)期發(fā)育時(shí)間(h)胚胎時(shí)期01細(xì)胞期0.752細(xì)胞期14細(xì)胞期2.25囊胚期4球形期6胚盾期10尾芽期10.3體節(jié)期1614體節(jié)期24原基第5期48身體出現(xiàn)色素72嘴長出

例如,24h后胚胎發(fā)育到原基第5期，此時(shí)胚胎已經(jīng)具備了幼魚的雛形，且能在鏡下觀察到心臟的跳動(dòng)(圖3)。通過這樣的觀察，學(xué)生能夠切身地感受單個(gè)細(xì)胞的受精卵發(fā)育為完整個(gè)體的全過程，并認(rèn)同這一過程的階段性、準(zhǔn)確性。

圖3 發(fā)育至24h的斑馬魚胚胎鏡下圖