實驗探究

俞天澤 盧君輝

1問題和困惑

幾年前，我曾經制作了一個生態瓶，瓶中放了水生植物和小金魚，每天觀察瓶中生物的變化。可是，令我迷惑不解的事發生了——瓶中的金魚總是喜歡趁我不注意往外跳。放學回到家，我經常發現金魚已經躺在桌子上死掉了，這到底是為什么呢？在水里待得好好的，為什么非要自尋死路往外跳呢？究竟是什么刺激了金魚往外跳呢？

我被這個問題困擾了很久，其間也查閱了一些文獻資料。金魚是由鯽魚經過人工馴化選育形成的品種，遠在晉朝就有金魚祖先——“赤鱗魚”的文字記載。金魚是我們中國人特別喜愛的觀賞魚種，民間飼養金魚非常普遍，飼養過程中發生跳缸的現象也困擾著很多養魚愛好者。網上對金魚跳缸的原因眾說紛紜：有的說是因為缺氧，有的說是水質太差，還有的說是金魚受到了驚嚇。那么，到底是什么原因導致金魚跳缸呢？

2實驗機會

2023年暑假，我參加了國家自然博物館“小小研究生”暑期科學探究班。成為正式學員后，我與老師進行了詳細討論，羅列了幾個最有可能導致金魚跳缸的原因：

★水中溶解氧降低；

★有毒代謝廢物（氨氮或亞硝酸鹽）的累積；

★突然的強光刺激；

★突然的聲音振動驚嚇。

我們打算用實驗一個個來驗證、排查。隨后，我們討論了后續實驗的具體步驟，確定了都需要用到哪些實驗設備和材料，形成了一套大致的研究方案。

3實驗設備和材料

養魚用的大塑料整理箱、壁掛過濾器、增氧泵、40條金魚、檢測水中氨氮和亞硝酸鹽的試劑盒、晾曬過后的清水、燒開后密封冷卻去除溶解氧的清水、氯化銨、亞硝酸鈉和手電筒。

4實驗過程

● 缺氧和驚嚇惹的禍？ ●

首先，我要驗證的一個原因——因缺氧導致金魚急于逃離惡劣環境而跳缸。我把金魚隨機平均分成了實驗組和對照組。

對照組用增氧泵鼓氣，保證溶解氧充足而穩定。

實驗組通過換入燒開后密封冷卻的清水（這樣可以去除水中溶解氧）來快速降低水體中的溶解氧濃度，對比觀察這兩組金魚的表現。

從圖1可以看到，實驗組的溶解氧濃度迅速下降，當出現第一條死亡的金魚時，水中溶解氧濃度已經非常低了，其他金魚也都無精打采地趴在魚缸底部。而對照組的溶解氧濃度一直維持在穩定的水平，金魚全都活蹦亂跳，活得好好的。然而隨著實驗組因缺氧導致金魚一條條死亡，卻沒有任何一條金魚從缸中跳出來！

看來溶解氧濃度驟降并不會導致金魚跳缸，我懷疑是因為溶解氧濃度降得太快，導致金魚沒有足夠的反應時間產生跳缸行為，就已經沒有體力了。

于是我開始了第二階段的實驗：通過調節增氧泵讓水中溶解氧濃度緩慢下降，給金魚充足的反應時間，看看這次它們會不會跳缸。

通過圖2可以看到，在長達14天的實驗過程中，隨著溶解氧濃度緩慢降低，金魚依舊沒有任何跳缸行為出現！看來缺氧并不是導致金魚跳缸的罪魁禍首。

隨后我又嘗試在白天、黑夜等不同的時間點用手電筒的強光去突然刺激金魚，也嘗試了用手拍打缸壁來驚嚇金魚，但是無論怎么嘗試，金魚依舊沒有任何跳缸的跡象。看來缺氧、光照刺激、拍打振動都不是導致金魚跳缸的主要因素，那么元兇究竟是什么呢？

● 鎖定兇手●

排除了缺氧、光照刺激、拍打振動三個因素，那么只剩下唯一一個因素——有毒代謝廢物的累積。如果這個因素也被排除，那金魚跳缸之謎就很難解開了。

在與老師的交流中我得知，金魚從進入水中的那一刻開始，水中就不斷發生著肉眼看不見的神奇化學變化。

金魚吃的食物會形成糞便和尿液排到水中，代謝廢物中含有的蛋白質，在水中微生物的作用下，會被分解成小分子的氨氮，這種東西對魚類是有毒的！然后，氨氮會在硝化細菌的作用下，以極緩慢的速度轉化成亞硝酸鹽，這同樣是一種有毒的物質！隨著金魚越吃越多、越排越多，這兩種有毒物質在水中不斷積累，最終導致魚類死亡。

那么氨氮和亞硝酸鹽這兩種物質是導致金魚跳缸的因素嗎？ 我馬上開始實驗驗證。

我將金魚隨機平均分成實驗組和對照組。

※對照組通過開啟過濾器、換水等方式維持水質清潔干凈；

※實驗組不換水，任由代謝廢物緩慢積累。

這期間我用水質檢測試劑定時測量記錄兩組的氨氮和亞硝酸鹽濃度，進行對比觀察。

實驗進行到第五天時，實驗組的氨氮濃度逐漸升到1.5mg/L，實驗組有4條金魚出現了跳缸現象。而對照組氨氮濃度僅僅升高到1.2 mg/L就不再升高，沒有任何一條金魚跳缸，看來我們離真相越來越近了。實驗繼續進行，實驗組氨氮濃度一直維持在1.5mg/L的高位，跳缸現象也天天發生，與之形成鮮明對比的是對照組一直非常平靜，金魚從未發生跳缸。這整個過程中，兩組亞硝酸鹽的濃度一直處于很低的水平，那么能夠影響金魚的只有一個因素——氨氮濃度！

為了驗證這一結論，也為了防止水中可能有其他不為人知的物質干擾實驗結果，我又進行了一次實驗。這次我在實驗組中人工加入了氯化銨（氨氮的一種形式），使實驗組水中的氨氮濃度瞬間達到1.5mg/L，而對照組的氨氮濃度一直控制在1.0 mg/L以下。神奇的現象再次出現了，此后的四天里，實驗組每天都有4～6條金魚跳缸，而對照組依然風平浪靜。

跳缸謎案終于真相大白：水中的代謝廢物——氨氮積累到約1.5mg/L的濃度時，就會導致金魚跳缸。

5答辯和思考

我的研究圓滿成功，我把我的研究成果撰寫成論文，通過論文答辯，才算正式“畢業”。答辯會上，有幾位水生生物領域的專家對我的研究進行提問、點評和指導，指出了我實驗中考慮不周的地方，讓我獲益良多。最后，我用我這次的研究成果給所有喜愛飼養金魚或其他觀賞魚的小伙伴們提個醒：為了觀賞魚的健康和生命安全，一定要關注水質情況，用過濾器或者勤換水的方法降低氨氮的濃度，給魚兒營造一個舒適的生活環境，這樣它們就不會用“跳缸”這種極端方式來回應你啦！

指導教師評語

科學探究有時像極了偵探破案，俞天澤同學的研究過程很好地演繹了這一點：從“金魚總是跳缸”的謎案著手，基于經驗、咨詢、查閱資料等“尋找線索”的方法，提煉出幾種最有可能的影響因素作為“嫌疑人”，然后通過實驗一一篩查排除，原來罪魁禍首是金魚的代謝廢物產生的“氨氮”，幕后黑手被揪出，最終真相大白。

這項研究十分難得之處在于，選題來自俞同學飼養金魚時遇到的疑問，可網上五花八門的解答并不能令人信服，他通過親手實驗獲得科學合理的解釋，最終的結果又很好地指導了他的飼養實踐，提高了他的飼養水平。這難道不像人類科學發展史的一個小小的縮影嗎？