“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細胞質的流動”實驗的分析和拓展

羅福海 張文娟 程 虹 趙 浩 徐亞茹

（高臺縣第一中學 甘肅高臺 734300）

“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細胞質的流動”是人教版高中生物學必修1 新教材中的重要實驗之一。此實驗在人教版2004年版生物學教材中是沒有的，此前教材中實驗為“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”，新加入的實驗對學生科學素養的培養具有重要作用。通過實驗觀察讓學生意識到細胞質的流動是一種生命現象；通過觀察葉綠體和細胞質流動，提高學生科學探究的實踐能力。

細胞質是細胞代謝的主要部位，細胞質基質并不是靜止的，而是持續地在細胞內順著環形路線流動，這是觀察細胞質流動實驗的理論基礎。葉綠體是植物光合作用的重要細胞器，由于其存在于細胞質中，因此，觀察細胞質流動的同時還可觀察到葉綠體［1］。盡管實驗易于操作，但在教學及實際實驗過程，學生還存在很多疑惑，筆者結合實驗情況對本實驗進行了一定的分析和拓展，以期為學生的學習和教師的教學提供參考。

1 實驗目的要求［1］

觀察葉綠體的形態、數量和分布特點；觀察細胞質的流動情況。

2 實驗材料器具［1］

新鮮的黑藻（或蘚類的小葉），顯微鏡、載玻片、蓋玻片、滴管、鑷子、刀片、培養皿、臺燈等。

3 實驗流程［1］

1）將黑藻置于25℃左右的水中，以較強的光線照射30 min 以上。

2）向載玻片中央滴一滴清水，用鑷子取一片幼嫩的黑藻葉片，放在清水中展平，蓋上蓋玻片，制成臨時裝片。在實驗過程中，臨時裝片要始終保持有水狀態。

3）先在低倍鏡下找到細胞，然后用高倍鏡觀察葉綠體的形態、數量和分布特點。

4）以葉綠體作為標志物，觀察細胞質流動的速度和方向。

4 實驗分析

1）葉綠體的形態和分布是怎樣的？ 高倍顯微鏡下觀察到的葉綠體為綠色、橢球形或球形，沿黑藻細胞邊緣分布，如圖1所示，綠色植物的葉綠體無需染色即可觀察到。

圖1 顯微鏡下葉綠體的形態及分布［1］

2）選用黑藻的幼嫩葉片作為觀察材料有什么好處？ 黑藻葉片薄，細胞內葉綠體多且體積大。在細胞質流動過程中，伴隨著葉綠體的運動，因此，很容易在顯微鏡下被觀察到。

3）觀察葉綠體和細胞質的流動2 個實驗是否沖突？活細胞中的細胞質處于不斷流動的狀態。細胞質基質是無色透明的，不容易直接觀察其是否流動。葉綠體是綠色植物葉肉細胞中的一種常見結構，呈綠色，散布于細胞質基質中。選擇葉綠體作為標志物，可觀察植物細胞中細胞質的流動。因此，2 個實驗是相輔相成的，如果合理地選擇了實驗材料，則可將2 個實驗結合起來同時完成［2］。

4）是否大多數植物細胞的細胞質不流動，只有黑藻等少數植物的細胞質才流動？ 細胞質流動又稱胞質運動，是指在活細胞中，細胞質基質處于不斷的運動狀態，能帶動其中的細胞器在細胞內作有規則的持續的流動。因此，只要是活細胞都有細胞質流動的現象，例如，植物的根尖等，只是由于黑藻等植物材料便于觀察。

5）在強光照射下，葉綠體的向光面有何變化？葉綠體的形態和分布有利于接受光照，進行光合作用。呈橢球形的葉綠體大多在不同光照條件下會改變方向。在弱光下，葉綠體以其橢球體的正面朝向光源；在強光下，葉綠體以其橢球體的側面朝向光源。這使得葉綠體在弱光下能接受較多的光照，在強光下能避免葉綠體被灼傷。同時，植物在光照強度不斷減弱的情況下，會通過增加葉綠素含量以增加對光的吸收，從而增強對弱光的適應性。

6）若視野中某細胞中細胞質的流動方向為順時針，則在裝片中該細胞的細胞質的實際流動方向是怎樣的？答案是仍為順時針。根據顯微鏡的成像原理可判斷實際物與視野中像呈水平旋轉180°結果，故視野中觀察到為順時針，則在裝片中實際流動方向仍為順時針。

7）細胞質的流動有什么意義？ 細胞質基質的流動，促進了細胞與周圍環境及細胞內部各部分之間的物質交換和信息傳遞，有利于細胞內代謝反應有條不紊地進行。

5 實驗拓展

1）除黑藻葉細胞外，還有哪些植物材料適合觀察細胞質流動？ 通過反復實驗并且進行對比后發現，用新鮮濃綠的大白菜、菠菜等幼苗嫩葉作為材料，實驗也可取得較好的效果，且這些材料具有取材容易的特點。在取用菠菜葉進行實驗時，由于表皮細胞除保衛細胞外，一般不含葉綠體，而葉肉細胞含較多的葉綠體，故要取略帶些葉肉的下表皮［3］。

2）動物細胞是否有細胞質流動？ 若有如何觀察？ 依據之前分析，只要是活細胞，細胞質都應是流動的。對人口腔上皮細胞進行實驗，觀察發現確實存在細胞質的流動，說明動物細胞也存在細胞質流動，細胞質流動不是綠色植物細胞特有的。用人口腔上皮細胞進行實驗觀察時需要用線粒體（健那綠染色）做細胞質流動的標志。葉綠體不是觀察細胞質流動的唯一標志。

3）同一葉片中所有細胞中的葉綠體的運動方向都為順向？還是都為逆向？還是既有順向又有逆向？通過觀察發現，相鄰3 個細胞的葉綠體運動方向具有不同形式：都是逆向、都是順向、2 個逆向1 順向、或2 個順向1 個逆向（圖2）。

圖2 葉綠體的運動方向

3）在做實驗過程中，有的葉正面朝上，有的葉背面朝上，針對黑藻同一個葉片的同一個細胞，其葉綠體的運動方向將如何？結果表明，如果正放是逆向運動，反放則是順向運動（圖3），直至細胞逐漸死亡，胞質運動停止，反之亦然。

圖3 不同放置黑藻同一細胞的細胞質流動

4）哪些因素可能影響細胞質流動的速度和方向？如何設計實驗進行驗證？細胞質流動速率可作為植物細胞活性狀態的一種特征性參數,凡能影響細胞活性的因素,均可影響細胞質流動［4］。溫度、光照強度、pH 值、生長素環境脅迫等均會影響細胞質流動。故本實驗設置容易獲取、易于操作的溫度、光照強度、能量的改變3 個方面進行實驗。

①溫度。可通過水浴加熱或直接加熱的方式進行不同溫度處理。實驗設計如表1，分別在對應溫度下處理10 min 后，按實驗流程進行觀察。由于本實驗無需嚴格定量觀察，因此為比較實驗結果，可讓多組同時進行操作，觀察不同處理下的黑藻葉片。通過觀察發現，第3 組細胞質流動的速度最快，但運動方向不受影響，與放置有關。實驗結果表明，溫度會影響細胞質流動的速度，隨著溫度升高，細胞質流動的速度加快，但溫度超過一定的范圍后，細胞質流動的速度又會減慢，推測原因是細胞質流動的動力來源于呼吸作用，而溫度過低和過高都會抑制呼吸作用有關酶的活性，從而影響能量供應。

表1 溫度對細胞質流動的影響

②光照強度。可通過不同功率的燈泡進行不同光照強度的處理。與設計具體的光照強度進行實驗相比，本實驗簡單、易操作，可行性強，且能達到預期實驗效果，具有一定的優點。具體實驗設計如表2，分別在對應燈泡下處理10 min 后，按實驗流程進行觀察。本探究實驗也可讓多組同時進行操作，觀察不同處理下的黑藻葉片。通過觀察發現，第3 組黑藻細胞質流動的速度最快，但方向不受影響，與放置有關。實驗結果表明，光照強度會影響細胞質流動的速度，一定范圍內隨著光照強度的增加，細胞質流動的速度加快，光照強度過高會抑制細胞質流動的速度。

表2 光照強度對細胞質流動的影響

③能量。由于細胞質流動需要消耗細胞呼吸產生的ATP，可通過添加適宜濃度葡萄糖溶液供應細胞呼吸產生ATP，或通過2% H2O2溶液抑制細胞呼吸的方法進行對照實驗［5］，故設置清水組、0.5%葡萄糖溶液組及2% H2O2溶液組進行處理。實驗設計如表3，分別在對應等量溶液下處理10 min 后，按實驗流程進行觀察。通過觀察發現，第2 組黑藻細胞質流動的速度最快，但方向不受影響。實驗結果表明，一定濃度的葡萄糖供應可促進細胞質流動的速度，而2% H2O2溶液處理的黑藻細胞葉綠體顏色和運動速度都會發生變化，使細胞質流動的速度變慢，表明能量的正常供應是細胞質流動所必需的。

表3 能量改變對細胞質流動的影響

溫度、光照強度、能量的改變都能通過影響細胞的生理活性進而影響細胞質的流動。以上3 個實驗所需條件、材料及試劑都是常用的，所有學校都可開展相關拓展實驗。此實驗的拓展設計目的也是讓學生都可參與、體驗觀察細胞質的流動，此舉能極大提升實驗可操作性，也能幫助學生理解溫度、光照強度和能量的改變對植物細胞生命活動的重要影響。