研究實驗過程 改進實驗方法

安徽 陳永輝

研究實驗過程 改進實驗方法

安徽 陳永輝

1. 關于“原壁分離實驗”實驗材料的選擇

在人教版教材第四章第一節關于“植物細胞的吸水與失水”的實驗中所選擇的實驗材料是成熟植物細胞 ——紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞。用洋蔥鱗片葉外表皮細胞作為該實驗材料沒有任何問題，而且實驗效果非常好。但是在教學實踐中學生經常會提出這樣的問題：未成熟的植物細胞，細菌，真菌和酵母菌細胞都有細胞壁，能發生質壁分離嗎?

要想回答以上問題，我們首先要知道質壁分離的概念，廣義上的質壁分離指的是細胞壁和原生質體分離。所以要發生質壁分離細胞要具備以下條件：①要有細胞壁，②原生質體的伸縮性要大于細胞壁的伸縮性。

下面讓我們來分析各種細胞的結構特點。

1.1 成熟植物細胞 成熟植物細胞具有細胞壁，它的細胞壁包括初生細胞壁和堅硬的次生細胞壁，其主要成分包括：纖維素、半纖維素、果膠、木質素、蛋白質、水和表層物質等，其中纖維素分子為細胞壁提供了抗張強度，木質素能使細胞壁木質化，進而強化細胞壁，增強細胞壁的強度和抗降解力。綜上所述，成熟植物細胞在初生細胞壁的內側生成了堅硬的次生細胞壁而且含有大量纖維素和木質素，所以其細胞壁伸縮性很小。同時成熟植物細胞有中央大液泡，能發生滲透失水，失水量較大，當外界溶液濃度大于細胞內液濃度時，成熟植物細胞易發生質壁分離。所以成熟植物細胞是質壁分離實驗最佳實驗材料。

1.2 未成熟植物細胞 未成熟的植物細胞最初生成的細胞壁是很薄的，叫初生細胞壁。它是由纖維素、半纖維素和少量的果膠質構成的。未成熟的植物細胞由于沒有堅硬的次生細胞壁且初生細胞壁纖維素含量較少，沒有木質素，導致初生細胞壁有彈性，質地較柔軟，有較大的可塑性，能隨著細胞的長大而延伸。其伸縮性大于成熟植物細胞細胞壁。同時未成熟植物細胞沒有中央大液泡，所以未成熟植物細胞難以依靠滲透作用吸水、失水。只能依靠其內部的蛋白質、淀粉和纖維素等親水性物質通過吸脹作用吸水、失水。失水量較小，較難發生質壁分離。曾有人模擬“質壁分離實驗”：首先配置不同質量濃度梯度的蔗糖溶液：0.3 g/mL、0.35 g/mL、0.4 g/mL、0.45 g/mL……0.8 g/mL。然后將洋蔥的根尖分生區處做成徒手切片，再按照“質壁分離”實驗步驟逐一仔細觀察并記錄，結果發現蔗糖溶液濃度在0.45 g/mL以上時，才可導致洋蔥根尖分生區細胞發生質壁分離。綜上所述可以看出，未成熟植物細胞也可發生質壁分離現象。但是，同樣條件下效果不如成熟植物細胞，不適合做質壁分離的實驗材料。

1.3 細菌 細菌也有細胞壁，是位于細胞膜外的一層具有彈性的結構，主要成分是肽聚糖，由乙酰氨基葡萄糖、乙酰胞壁酸與四五個氨基酸短肽聚合而成。細菌細胞壁中沒有纖維素和木質素，其機械強度依賴于肽聚糖，所以細菌的細胞壁較柔軟，伸縮性較大。而且細菌也沒有中央大液泡，不能通過滲透作用吸水、失水。所以細菌質壁分離現象也不如成熟植物細胞明顯，不適合作為質壁分離實驗的實驗材料。

1.4 真菌 真菌細胞壁厚度約為100～250微米，主要成分有幾丁質、纖維素、葡聚糖、甘露聚糖等物質，由于其細胞壁中有纖維素的存在，所以其細胞壁機械強度較大，伸縮性較小。但是真菌一樣也沒有中央大液泡，所以同樣條件下其失水較少，質壁分離現象也不如成熟植物細胞明顯。

綜上所述，成熟植物細胞是質壁分離實驗的最佳材料。而未成熟植物細胞、細菌細胞、真菌細胞雖然也能發生質壁分離現象，但是由于細胞壁的伸縮性大小以及細胞失水量多少等原因導致它們質壁分離現象沒有成熟植物細胞明顯，不適合作為質壁分離實驗的實驗材料。

1.5 相關習題：

1.5.1 下列哪項不是發生質壁分離的必備條件 （ ）

A. 細胞壁與原生質層的伸縮性不同

B. 液泡的有無

C. 原生質層兩側的溶液具有濃度差

D. 細胞核的大小

解析：發生質壁分離的條件是具有大液泡的活植物細胞、細胞液的濃度小于外界溶液濃度和原生質層的伸縮性大于細胞壁的伸縮性。

答案：D

1.5.2 如圖表示植物細胞滲透作用圖解，下列說法中錯誤的是 （ ）

A. 原生質層是指細胞膜及液泡膜和兩者之間的細胞質

B. 成熟植物細胞發生滲透作用的主要原因是原生質層相當于一層半透膜

C. 當溶液濃度甲＞乙時，成熟植物細胞會因滲透發生失水而發生質壁分離現象

D. 未成熟的植物細胞沒有原生質層，因此不能發生吸水或失水現象

解析：不成熟的植物細胞仍能發生滲透作用，因為只要有半透膜和膜內外濃度差就可以發生滲透作用，但是比較少，主要還是通過細胞質內親水性物質對水的吸收即吸脹作用為主。所以未成熟植物細胞失水較少，一般不會發生質壁分離現象，不能用作質壁分離實驗的材料。

答案：D

2“細胞大小與物質運輸的關系”實驗的改進

人教版高中生物第六章，第一節“細胞的增殖”中有一個實驗，實驗目的是探究：“細胞大小與物質運輸效率的關系”。課本中實驗步驟如下：①將瓊脂塊切成邊長分別為3 cm，2 cm，1 cm的正方體。②將3塊瓊脂塊放在燒杯內，加入氫氧化鈉溶液，將瓊脂塊淹沒，浸泡10分鐘。③取出瓊脂塊，用紙巾吸干，用塑料刀把瓊脂塊切開，測量氫氧化鈉擴散深度。④記錄測量結果，計算，填表，分析。

瓊脂塊邊長/cm表面積/ cm?體積/ cm3比值（表面積/體__積）NaOH擴散深度/cm___比值（NaOH擴散的體積/整個瓊脂塊的體積）___________________________________________________________3________________________________________________________2___________________________________________________________1

經過填表和有關的數據分析可以得出相應實驗結論。

雖然這一實驗思路能很好地得出相應的結論，但是在教學實踐中卻發現這樣處理學生很難理解：為什么體積越小相對表面積越大？為什么相對表面積越大物質運輸效率越大？因為教材上的這兩個結論都是建立在抽象的數據比較和數據分析基礎上的，學生在腦海里很難建立起相應的空間想象模型。也就是說學生對于這些結論是死記硬背的，這樣一來學生就不能理解和應用。通過多年的教學實踐，結合數學上的相關內容，我覺得采用以下的兩種實驗思路效果更好，更有利于學生的理解應用。

2.1 材料用具：含酚酞的瓊脂塊，塑料餐刀，防護手套，塑料勺，毫米尺，紙巾，燒杯，氫氧化鈉溶液。

2.2 實驗步驟：

第一步：切取三塊邊長為3 cm的正方體瓊脂塊，編號為甲，乙，丙;甲不做處理，乙用塑料餐刀切為兩等份，丙用塑料餐刀切為四等份。如下圖所示：（沿虛線切割）

第二步：將甲，乙，丙三塊瓊脂塊放在燒杯中，加入氫氧化鈉溶液，將瓊脂塊淹沒，浸泡10分鐘，用塑料勺不時翻動瓊脂塊。

第三步：取出瓊脂塊，用紙巾吸干，用塑料刀把瓊脂塊切開，測量氫氧化鈉擴散深度。

第四步：計算，分析。

在改進實驗一中，相同體積的瓊脂塊甲乙丙，經切割處理以后很明顯：丙的四個瓊脂小塊的表面積之和＞乙的兩個瓊脂小塊的表面積之和＞甲的表面積，所以可以得出結論：細胞體積越小，相對表面積（表面積與體積之比）就越大。

經過測量之后我們知道只要時間合適，相同時間內所有瓊脂塊中氫氧化鈉的擴散深度是一樣的，所以氫氧化鈉擴散的體積只與表面積有關，既氫氧化鈉擴散的體積與瓊脂塊的表面積呈正相關。原因學生也很容易理解，因為表面積越大，瓊脂塊與氫氧化鈉接觸的面積就越大，瓊脂塊就越容易吸收氫氧化鈉。那么單位體積瓊脂塊吸收氫氧化鈉的體積就與相對表面積呈正相關，而單位體積瓊脂塊吸收氫氧化鈉的體積就代表了物質運輸效率，所以可以得出結論：相對表面積越大，物質運輸效率就越大。

實驗改進以后我們可以發現，在這里我們不再需要學生填表，也不需要學生做大量的數據分析，學生只要利用初中學的數學知識再加上一定的空間想象力，就可以很容易地理解和記憶課本上的這兩個結論，而且由于學生在腦海里通過想象建立起了相應的知識模型，他們也就能很好地運用這兩個結論。

2.3 相關習題：生物體的生長既靠細胞的生長又靠細胞的分裂。細胞表面積與體積的關系限制了細胞的長大。通過下面的實驗，探究細胞大小與物質運輸的關系。

實驗過程：將三個邊長相同且含有酚酞的瓊脂塊按如圖所示處理，然后浸泡在NaOH溶液中，10 min后取出，測量每塊NaOH擴散的深度，實驗結果如表格中所示：

瓊脂塊 比值（表面_______________________積/體積）__NaOH擴散深度/cm_____比值（NaOH擴散的體積/整個瓊脂塊的體積）_____________________________________________________________________________甲0.5__________________________________________________________________________乙0.5___丙__________________________________________________0.5

（1）根據實驗結果可知，NaOH在每一瓊脂塊內擴散的速率__________。

（2）甲、乙、丙三個瓊脂塊的表面積/體積大小關系是___________，可以得出結論___________。

（3）根據相同時間內_____，_____之比可以反映出物質運輸效率，甲、乙、丙三個瓊脂塊的物質運輸效率的大小關系是_________。

解析：（1）由表可知NaOH擴散速率相同。（2）甲乙丙三個瓊脂塊體積相同，丙的表面積最大，其表面積與體積之比也最大，也就是相對表面積最大，同理乙的相對表面積次之，甲的相對表面積最小。所以可以得出結論體積越小，相對表面積越大。（3）物質運輸效率即單位時間單位體積瓊脂塊吸收的NaOH的多少，所以可以用“NaOH擴散的體積/整個瓊脂塊的體積”表示，很明顯丙的表面積最大，吸收的NaOH最多，物質運輸效率也最大，同理甲的物質運輸效率最小。

答案：（1）相同

（2）丙＞乙＞甲 體積越小，相對表面積越大

（3）NaOH擴散的體積與整個瓊脂塊的體積 丙＞乙＞甲

（作者單位：安徽省潁上第一中學）