安徽 陳永輝

研究實(shí)驗(yàn)過程 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法

安徽 陳永輝

1. 關(guān)于“原壁分離實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)材料的選擇

在人教版教材第四章第一節(jié)關(guān)于“植物細(xì)胞的吸水與失水”的實(shí)驗(yàn)中所選擇的實(shí)驗(yàn)材料是成熟植物細(xì)胞 ——紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞。用洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞作為該實(shí)驗(yàn)材料沒有任何問題，而且實(shí)驗(yàn)效果非常好。但是在教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生經(jīng)常會提出這樣的問題：未成熟的植物細(xì)胞，細(xì)菌，真菌和酵母菌細(xì)胞都有細(xì)胞壁，能發(fā)生質(zhì)壁分離嗎?

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

下面讓我們來分析各種細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1.1 成熟植物細(xì)胞 成熟植物細(xì)胞具有細(xì)胞壁，它的細(xì)胞壁包括初生細(xì)胞壁和堅(jiān)硬的次生細(xì)胞壁，其主要成分包括：纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、水和表層物質(zhì)等，其中纖維素分子為細(xì)胞壁提供了抗張強(qiáng)度，木質(zhì)素能使細(xì)胞壁木質(zhì)化，進(jìn)而強(qiáng)化細(xì)胞壁，增強(qiáng)細(xì)胞壁的強(qiáng)度和抗降解力。綜上所述，成熟植物細(xì)胞在初生細(xì)胞壁的內(nèi)側(cè)生成了堅(jiān)硬的次生細(xì)胞壁而且含有大量纖維素和木質(zhì)素，所以其細(xì)胞壁伸縮性很小。同時成熟植物細(xì)胞有中央大液泡，能發(fā)生滲透失水，失水量較大，當(dāng)外界溶液濃度大于細(xì)胞內(nèi)液濃度時，成熟植物細(xì)胞易發(fā)生質(zhì)壁分離。所以成熟植物細(xì)胞是質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)最佳實(shí)驗(yàn)材料。

1.2 未成熟植物細(xì)胞 未成熟的植物細(xì)胞最初生成的細(xì)胞壁是很薄的，叫初生細(xì)胞壁。它是由纖維素、半纖維素和少量的果膠質(zhì)構(gòu)成的。未成熟的植物細(xì)胞由于沒有堅(jiān)硬的次生細(xì)胞壁且初生細(xì)胞壁纖維素含量較少，沒有木質(zhì)素，導(dǎo)致初生細(xì)胞壁有彈性，質(zhì)地較柔軟，有較大的可塑性，能隨著細(xì)胞的長大而延伸。其伸縮性大于成熟植物細(xì)胞細(xì)胞壁。同時未成熟植物細(xì)胞沒有中央大液泡，所以未成熟植物細(xì)胞難以依靠滲透作用吸水、失水。只能依靠其內(nèi)部的蛋白質(zhì)、淀粉和纖維素等親水性物質(zhì)通過吸脹作用吸水、失水。失水量較小，較難發(fā)生質(zhì)壁分離。曾有人模擬“質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)”：首先配置不同質(zhì)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(qū)處做成徒手切片，再按照“質(zhì)壁分離”實(shí)驗(yàn)步驟逐一仔細(xì)觀察并記錄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蔗糖溶液濃度在0.45 g/mL以上時，才可導(dǎo)致洋蔥根尖分生區(qū)細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離。綜上所述可以看出，未成熟植物細(xì)胞也可發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象。但是，同樣條件下效果不如成熟植物細(xì)胞，不適合做質(zhì)壁分離的實(shí)驗(yàn)材料。

1.3 細(xì)菌 細(xì)菌也有細(xì)胞壁，是位于細(xì)胞膜外的一層具有彈性的結(jié)構(gòu)，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(xì)菌細(xì)胞壁中沒有纖維素和木質(zhì)素，其機(jī)械強(qiáng)度依賴于肽聚糖，所以細(xì)菌的細(xì)胞壁較柔軟，伸縮性較大。而且細(xì)菌也沒有中央大液泡，不能通過滲透作用吸水、失水。所以細(xì)菌質(zhì)壁分離現(xiàn)象也不如成熟植物細(xì)胞明顯，不適合作為質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料。

1.4 真菌 真菌細(xì)胞壁厚度約為100～250微米，主要成分有幾丁質(zhì)、纖維素、葡聚糖、甘露聚糖等物質(zhì)，由于其細(xì)胞壁中有纖維素的存在，所以其細(xì)胞壁機(jī)械強(qiáng)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(zhì)壁分離現(xiàn)象也不如成熟植物細(xì)胞明顯。

綜上所述，成熟植物細(xì)胞是質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)的最佳材料。而未成熟植物細(xì)胞、細(xì)菌細(xì)胞、真菌細(xì)胞雖然也能發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，但是由于細(xì)胞壁的伸縮性大小以及細(xì)胞失水量多少等原因?qū)е滤鼈冑|(zhì)壁分離現(xiàn)象沒有成熟植物細(xì)胞明顯，不適合作為質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料。

1.5 相關(guān)習(xí)題：

1.5.1 下列哪項(xiàng)不是發(fā)生質(zhì)壁分離的必備條件 （ ）

A. 細(xì)胞壁與原生質(zhì)層的伸縮性不同

B. 液泡的有無

C. 原生質(zhì)層兩側(cè)的溶液具有濃度差

D. 細(xì)胞核的大小

解析：發(fā)生質(zhì)壁分離的條件是具有大液泡的活植物細(xì)胞、細(xì)胞液的濃度小于外界溶液濃度和原生質(zhì)層的伸縮性大于細(xì)胞壁的伸縮性。

答案：D

1.5.2 如圖表示植物細(xì)胞滲透作用圖解，下列說法中錯誤的是 （ ）

A. 原生質(zhì)層是指細(xì)胞膜及液泡膜和兩者之間的細(xì)胞質(zhì)

B. 成熟植物細(xì)胞發(fā)生滲透作用的主要原因是原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜

C. 當(dāng)溶液濃度甲＞乙時，成熟植物細(xì)胞會因滲透發(fā)生失水而發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象

D. 未成熟的植物細(xì)胞沒有原生質(zhì)層，因此不能發(fā)生吸水或失水現(xiàn)象

解析：不成熟的植物細(xì)胞仍能發(fā)生滲透作用，因?yàn)橹灰邪胪改ず湍?nèi)外濃度差就可以發(fā)生滲透作用，但是比較少，主要還是通過細(xì)胞質(zhì)內(nèi)親水性物質(zhì)對水的吸收即吸脹作用為主。所以未成熟植物細(xì)胞失水較少，一般不會發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，不能用作質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)的材料。

答案：D

2“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

人教版高中生物第六章，第一節(jié)“細(xì)胞的增殖”中有一個實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄浚骸凹?xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸效率的關(guān)系”。課本中實(shí)驗(yàn)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(nèi)，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(kuò)散深度。④記錄測量結(jié)果，計(jì)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(kuò)散深度/cm___比值（NaOH擴(kuò)散的體積/整個瓊脂塊的體積）___________________________________________________________3________________________________________________________2___________________________________________________________1

經(jīng)過填表和有關(guān)的數(shù)據(jù)分析可以得出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

雖然這一實(shí)驗(yàn)思路能很好地得出相應(yīng)的結(jié)論，但是在教學(xué)實(shí)踐中卻發(fā)現(xiàn)這樣處理學(xué)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(zhì)運(yùn)輸效率越大？因?yàn)榻滩纳系倪@兩個結(jié)論都是建立在抽象的數(shù)據(jù)比較和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上的，學(xué)生在腦海里很難建立起相應(yīng)的空間想象模型。也就是說學(xué)生對于這些結(jié)論是死記硬背的，這樣一來學(xué)生就不能理解和應(yīng)用。通過多年的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合數(shù)學(xué)上的相關(guān)內(nèi)容，我覺得采用以下的兩種實(shí)驗(yàn)思路效果更好，更有利于學(xué)生的理解應(yīng)用。

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

2.2 實(shí)驗(yàn)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(kuò)散深度。

第四步：計(jì)算，分析。

在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)一中，相同體積的瓊脂塊甲乙丙，經(jīng)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(jié)論：細(xì)胞體積越小，相對表面積（表面積與體積之比）就越大。

經(jīng)過測量之后我們知道只要時間合適，相同時間內(nèi)所有瓊脂塊中氫氧化鈉的擴(kuò)散深度是一樣的，所以氫氧化鈉擴(kuò)散的體積只與表面積有關(guān)，既氫氧化鈉擴(kuò)散的體積與瓊脂塊的表面積呈正相關(guān)。原因?qū)W生也很容易理解，因?yàn)楸砻娣e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(guān)，而單位體積瓊脂塊吸收氫氧化鈉的體積就代表了物質(zhì)運(yùn)輸效率，所以可以得出結(jié)論：相對表面積越大，物質(zhì)運(yùn)輸效率就越大。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)以后我們可以發(fā)現(xiàn)，在這里我們不再需要學(xué)生填表，也不需要學(xué)生做大量的數(shù)據(jù)分析，學(xué)生只要利用初中學(xué)的數(shù)學(xué)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(jié)論，而且由于學(xué)生在腦海里通過想象建立起了相應(yīng)的知識模型，他們也就能很好地運(yùn)用這兩個結(jié)論。

2.3 相關(guān)習(xí)題：生物體的生長既靠細(xì)胞的生長又靠細(xì)胞的分裂。細(xì)胞表面積與體積的關(guān)系限制了細(xì)胞的長大。通過下面的實(shí)驗(yàn)，探究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系。

實(shí)驗(yàn)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(kuò)散的深度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表格中所示：

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

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，NaOH在每一瓊脂塊內(nèi)擴(kuò)散的速率__________。

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

（3）根據(jù)相同時間內(nèi)_____，_____之比可以反映出物質(zhì)運(yùn)輸效率，甲、乙、丙三個瓊脂塊的物質(zhì)運(yùn)輸效率的大小關(guān)系是_________。

解析：（1）由表可知NaOH擴(kuò)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(jié)論體積越小，相對表面積越大。（3）物質(zhì)運(yùn)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(kuò)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(zhì)運(yùn)輸效率也最大，同理甲的物質(zhì)運(yùn)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(kuò)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(xué)）