“細(xì)胞質(zhì)壁分離及自動復(fù)原”探究實驗設(shè)計與實施

陳忠亮 唐蓓蓓 馬會放

摘要：以紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞為材料，用Na₂MoO₄和ATP混合液處理已發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞，通過觀察液泡顏色變化和質(zhì)壁分離復(fù)原狀態(tài)，推測出離子通過主動運輸進(jìn)入細(xì)胞導(dǎo)致細(xì)胞滲透壓升高細(xì)胞吸水，質(zhì)壁分離自動復(fù)原。細(xì)胞在質(zhì)壁分離下加入Na₂MoO₄和ATP混合液，實驗結(jié)果顯示，質(zhì)壁分離的細(xì)胞先被染成藍(lán)色，然后才漸漸看到細(xì)胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離及自動復(fù)原。

關(guān)鍵詞：主動運輸，質(zhì)壁分離自動復(fù)原，生物學(xué)實驗

中圖分類號Q-331文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

1 課題研究的背景與意義

離子跨膜運輸和質(zhì)壁分離復(fù)原是高中生物學(xué)的重要概念。對該內(nèi)容的學(xué)習(xí)時，教師一般以講授為主，輔以圖片，因此學(xué)生缺乏對這一重要概念的感性認(rèn)識，無法真正理解。如果教師設(shè)計簡單易行的實驗，使學(xué)生真實地看到離子進(jìn)入細(xì)胞引起細(xì)胞質(zhì)壁分離后自動復(fù)原的現(xiàn)象，有助于學(xué)生理解并建構(gòu)這一重要概念。

在中學(xué)生物學(xué)實驗中，“質(zhì)壁分離及復(fù)原實驗”選用的洋蔥外表皮細(xì)胞含有大量花青素。植物花青素可作為天然酸堿指示劑，當(dāng)離子跨膜運輸后導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)酸堿環(huán)境改變，會引發(fā)花青素變色。學(xué)生制作臨時裝片，在質(zhì)壁分離實驗的基礎(chǔ)之上繼續(xù)操作步驟即可實施實驗，并觀察現(xiàn)象。

2 實驗原理

花青素可作為天然酸堿指示劑，在酸性環(huán)境中偏紅色，在堿性環(huán)境中偏藍(lán)色。紫色洋蔥外表皮細(xì)胞的細(xì)胞液pH偏酸性而使液泡呈現(xiàn)紫紅色。無機(jī)鹽的種類很多，其中鈉離子和鉬（Mo）離子是植物細(xì)胞必需的微量元素，植物吸收鉬酸鈉是主動運輸?shù)倪^程。Na₂MoO₄是強(qiáng)堿弱酸鹽，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水溶液在25℃、pH為9～10時，溶液顏色為無色透明。鉬酸鈉水溶液和ATP溶液無色透明，不會對結(jié)果產(chǎn)生顏色干擾。用物質(zhì)量濃度0.01mol/L的Na₂MoO₄和5x10^-11ATP混合液處理紫色洋蔥外表皮細(xì)胞，可在顯微鏡下觀察到液泡顏色由紫紅逐漸變成藍(lán)色。

3 實驗材料及用具

紫色洋蔥鱗片葉，物質(zhì)量濃度為0.01mol/L的Na₂MoO₄溶液，5x10^-11ATP，質(zhì)量濃度0.3g/mL的蔗糖溶液，清水，刀片，鑷子，微量移液器，載玻片，蓋玻片，吸水紙，光學(xué)顯微鏡。

4 思路設(shè)計

洋蔥外表皮細(xì)胞紫色液泡的變色速度與鉬酸鈉溶液的濃度呈正相關(guān)。如果細(xì)胞都發(fā)生變色，可能影響其本身的活性。根據(jù)pH使細(xì)胞中花色素的變色原理，pH逐漸增大，細(xì)胞液呈堿性，會使一部分酶失活，影響細(xì)胞的正常代謝。因此本實驗選用鉬酸鈉溶液的物質(zhì)量濃度為0.01mol/L。用物質(zhì)量濃度0.01mol/LNa₂MoO₄和5x10^-1ATP混合液處理質(zhì)壁分離的細(xì)胞，觀察質(zhì)壁分離的細(xì)胞細(xì)胞液顏色的變化和細(xì)胞質(zhì)壁分離自動復(fù)原的先后時間順序。

5 實驗步驟

（1）制作洋蔥鱗片葉外表皮的臨時裝片。

（2）處理細(xì)胞：用膠頭滴管滴取質(zhì)量濃度為0.3g/mL的蔗糖溶液，在蓋玻片的一側(cè)滴加，另一側(cè)用吸水紙吸引。觀察細(xì)胞是否已經(jīng)發(fā)生質(zhì)壁分離。

（3）取已經(jīng)發(fā)生質(zhì)壁分離細(xì)胞的臨時裝片，用微量移液器吸取200UL物質(zhì)量濃度為0.01mol/L的Na₂MoO₄和5x10^-11ATP的混合液，在蓋玻片的一側(cè)分次滴加，另一側(cè)用吸水紙吸引，用光學(xué)顯微鏡觀察細(xì)胞變藍(lán)的位置和質(zhì)壁分離自動復(fù)原的先后。

6 實驗結(jié)果

用0.01mol/L Na₂MoO₄和5x10^-11ATP的混合液處理質(zhì)壁分離的細(xì)胞，若看到質(zhì)壁分離的細(xì)胞的細(xì)胞液先被染成藍(lán)色。然后，才漸漸看到細(xì)胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離自動復(fù)原，提示已經(jīng)發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞，由于離子的進(jìn)入導(dǎo)致細(xì)胞滲透壓升高，細(xì)胞吸水，質(zhì)壁分離自動復(fù)原。

7 實驗結(jié)果分析及實驗討論

7.1 結(jié)果分析

鉬酸鈉和ATP的混合液處理洋蔥外表皮細(xì)胞觀察顏色及復(fù)原規(guī)律。從細(xì)胞的顏色變化規(guī)律來看，開始是淺紫色，后逐漸變成深紫色，再變成天藍(lán)色，最后成為深藍(lán)色。從復(fù)原的規(guī)律來看，細(xì)胞液先變藍(lán)，之后細(xì)胞開始漸漸質(zhì)壁分離復(fù)原。并可隱約看出有一些細(xì)胞是在細(xì)胞壁和原生質(zhì)層的間隙先變藍(lán)，之后才出現(xiàn)細(xì)胞液變成藍(lán)色，這可能與撕取細(xì)胞時細(xì)胞液內(nèi)容物溢出有關(guān)。通過重復(fù)實驗也發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)藍(lán)色以及自動復(fù)原的現(xiàn)象并不是普遍存在的，有的細(xì)胞能觀察到的，而有的細(xì)胞則不能，這可能與細(xì)胞個體差異有關(guān)。

因為離子跨膜速度很快，因此采用高倍物鏡觀察，可以清楚細(xì)致地看到細(xì)胞微觀變化，才能得出細(xì)胞變化規(guī)律。通過觀察多個細(xì)胞的規(guī)律，可發(fā)現(xiàn)在部分細(xì)胞變化中確實出現(xiàn)由于離子進(jìn)入細(xì)胞導(dǎo)致滲透壓升高細(xì)胞吸水，質(zhì)壁分離自動復(fù)原的現(xiàn)象。

7.2 實驗討論

7.2.1 實驗注意事項

實驗應(yīng)選取顏色明顯的且具有大液泡的成熟紫色洋蔥表皮細(xì)胞，選用的蔗糖溶液濃度不能過高，以免造成細(xì)胞失水過多死亡;注意引流動作要領(lǐng)，保證細(xì)胞完全均勻地浸入蔗糖溶液或清水中。使用刀片及鑷子等尖銳器具要小心，用后妥善安放。

7.2.2實驗材料的選擇

最常用的實驗材料是紫色洋蔥鱗片葉，紫色大液泡十分明顯，能方便地觀察到質(zhì)壁分離及復(fù)原的過程。所選擇材料都必須是活細(xì)胞，因為只有活細(xì)胞的原生質(zhì)層才具有選擇透過性，否則將不會出現(xiàn)質(zhì)壁分離和復(fù)原的現(xiàn)象。

未選擇紫色洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞作材料，實驗效果差，其原因是所選擇的植物細(xì)胞，細(xì)胞液無顏色，因此無法清楚地觀察質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象，并不是不會發(fā)生質(zhì)壁分離和復(fù)原。

7.2.3 試劑種類的選擇

使細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離的試劑不止蔗糖溶液，其他的對細(xì)胞沒有毒害作用的溶液也可以。常用的試劑是質(zhì)量濃度0.3g/mL的蔗糖溶液，用該濃度的蔗糖溶液做分離試劑時，細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離和復(fù)原的速度比較緩慢，便于觀察變化過程。

7.2.4試劑濃度的選擇

試劑的濃度影響細(xì)胞質(zhì)壁分離的速度，試劑濃度越高，發(fā)生質(zhì)壁分離的速度越快，但試劑濃度過高，細(xì)胞會過度失水而死亡，無法復(fù)原。所用試劑濃度過低，導(dǎo)致質(zhì)壁分離過慢，影響對實驗結(jié)果的觀察。

7.2.5 引流

在顯微鏡載物臺上進(jìn)行引流換液操作，不要一次滴液太多，以免將細(xì)胞沖出。

8 實驗應(yīng)用在教學(xué)中的建議

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在談到細(xì)胞生物學(xué)內(nèi)容教學(xué)時，要求讓學(xué)生理解物質(zhì)的統(tǒng)一性，以及細(xì)胞中物質(zhì)變化、能量變化和信息變化三者的統(tǒng)一性。教師在教學(xué)中要組織好各種觀察、實驗等探究性學(xué)習(xí)活動，幫助學(xué)生增加感性認(rèn)識，使學(xué)生掌握科學(xué)研究的方法并熟練相關(guān)的操作技能。新課程還要求生物學(xué)的教學(xué)要注重與現(xiàn)實生活的聯(lián)系，教師引導(dǎo)學(xué)生通過實踐、實驗，親身體驗和觀察生活中的實例，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納的能力，并且促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)概念的理解與建構(gòu)。

本實驗中實驗材料易得，Na₄MoO₄溶液相對安全無毒害，且實驗操作簡單，在短時間內(nèi)就可觀察實驗現(xiàn)象。因為所用實驗材料及操作與傳統(tǒng)“植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離及復(fù)原”實驗基本相同，教師可以把兩個實驗合并在一節(jié)實驗課進(jìn)行，同時觀察植物細(xì)胞的吸水失水及離子跨膜運輸引起質(zhì)壁分離自動復(fù)原。這樣既增加了課堂趣味性，也鍛煉了學(xué)生的動手動腦能力。