探究蔗糖溶液與Nacl溶液對(duì)質(zhì)壁分離效果的影響

李中原

【內(nèi)容摘要】質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原是高中生物的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。我校進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)時(shí)用30%的蔗糖溶液，但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)用蔗糖溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的成功率并不高，而且發(fā)現(xiàn)蔗糖溶液極易污染顯微鏡載物臺(tái)以及物鏡。筆者通過設(shè)置1%～5%以及10%的Nacl溶液探究出用3%的Nacl溶液處理洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原的成功率大幅提高。讓學(xué)生比較蔗糖溶液與Nacl溶液對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、數(shù)據(jù)處理的能力，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】質(zhì)壁分離 質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原 蔗糖溶液 Nacl溶液

一、問題的提出

質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原實(shí)驗(yàn)是教材上一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，教材中使用的質(zhì)壁分離試劑都是0.3g/mL（即30%）的蔗糖溶液。讓學(xué)生按照書上的步驟按部就班的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生基本能順利完成實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生的總結(jié)歸納、綜合分析能力沒能得到很好的鍛煉。

我校多年來質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原實(shí)驗(yàn)所用試劑為30%蔗糖溶液，在實(shí)驗(yàn)的過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要集中在以下幾個(gè)方面。

1.配制蔗糖溶液時(shí)，蔗糖的溶解速度較慢，在一定程度上會(huì)影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

2.學(xué)生很容易因操作不當(dāng)將蔗糖溶液滴灑在載物臺(tái)上，過一段時(shí)間后載物臺(tái)上就變得黏糊糊的很難清理，給后面的實(shí)驗(yàn)者帶來麻煩。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，有的學(xué)生未及時(shí)清洗載玻片和蓋玻片，容易導(dǎo)致載玻片和蓋玻片粘連在一起。

4.學(xué)生在使用蔗糖溶液時(shí)有時(shí)候不慎將物鏡（尤其高倍物鏡）粘上蔗糖溶液，很難用擦鏡紙擦拭干凈。

5.目鏡和物鏡如果不慎留有蔗糖溶液，沒有經(jīng)過及時(shí)清理就會(huì)發(fā)霉，從而影響顯微鏡的使用。

為更好的培養(yǎng)學(xué)生自主綜合分析能力以及學(xué)習(xí)興趣，也為了解決蔗糖溶液所帶來的諸多不便，筆者在實(shí)驗(yàn)中引入了Nacl溶液，讓學(xué)生在探索、對(duì)比中找出使用蔗糖溶液與Nacl溶液對(duì)完成質(zhì)壁分離以及質(zhì)壁分離復(fù)原實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)。

二、活動(dòng)準(zhǔn)備

1.取材

新鮮的洋蔥鱗片葉一片。

2.試劑

30%的蔗糖溶液，1%、2%、3%、4%、5%、10%的Nacl溶液（有研究表明當(dāng)Nacl溶液濃度為0.7%～5%左右時(shí)，發(fā)生質(zhì)壁分離后能夠復(fù)原，而低于此濃度不發(fā)生質(zhì)壁分離，高于此濃度不能發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原①），清水。

3.預(yù)實(shí)驗(yàn)

筆者按照教材中的實(shí)驗(yàn)步驟分別用不同濃度的Nacl溶液進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)（由于30%蔗糖溶液以前已被多次使用，故在預(yù)實(shí)驗(yàn)中省去了30%蔗糖溶液）。將制作好的洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞臨時(shí)裝片放在放大倍數(shù)為100倍的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行連續(xù)觀察。當(dāng)?shù)渭覰acl溶液時(shí)開始計(jì)時(shí)，記錄開始發(fā)生質(zhì)壁分離時(shí)間、完成質(zhì)壁分離時(shí)間、開始質(zhì)壁分離復(fù)原時(shí)間以及完成質(zhì)壁分離復(fù)原時(shí)間，對(duì)完成質(zhì)壁分離用時(shí)、完成質(zhì)壁分離復(fù)原用時(shí)、質(zhì)壁分離程度以及質(zhì)壁分離復(fù)原程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。質(zhì)壁分離程度的判定：能觀察到原生質(zhì)層與細(xì)胞壁有較明顯的分離記為“+”；能觀察到原生質(zhì)層與細(xì)胞壁有明顯的分離記為“++”；能觀察到原生質(zhì)層與細(xì)胞壁完全分離記為“+++”；能觀察到原生質(zhì)層與細(xì)胞壁分離十分明顯，原生質(zhì)層有過度收縮傾向記為“++++”；能觀察到原生質(zhì)層與細(xì)胞壁分離十分明顯，原生質(zhì)層過度收縮記為“+++++”。質(zhì)壁分離復(fù)原程度的判斷：能夠迅速恢復(fù)到原狀態(tài)，液泡占據(jù)幾乎整個(gè)細(xì)胞記為“+++++”；能夠較快恢復(fù)原狀態(tài)，液泡占據(jù)幾乎整個(gè)細(xì)胞記為“++++”；能夠恢復(fù)原狀態(tài)，液泡占據(jù)大部分細(xì)胞記為“+++”；能夠恢復(fù)原狀態(tài)，液泡占據(jù)部分細(xì)胞記為“++”；長(zhǎng)時(shí)間不能夠恢復(fù)原狀態(tài)，液泡沒有明顯變大跡象記為“+”。預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

注：+表示質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原程度

可以看出在1%～10%的Nacl溶液中，隨著溶液濃度的增大質(zhì)壁分離用時(shí)變短，而質(zhì)壁分離復(fù)原用時(shí)則隨著溶液濃度的增大而增長(zhǎng)。當(dāng)Nacl溶液濃度為1%時(shí)，洋蔥表皮細(xì)胞基本上不發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，因此質(zhì)壁分離復(fù)原時(shí)間未能準(zhǔn)確測(cè)量。當(dāng)Nacl溶液濃度為2%-5%范圍時(shí)，質(zhì)壁分離復(fù)原率隨著Nacl溶液濃度的增加有所下降。當(dāng)Nacl溶液濃度為10%時(shí)，洋蔥表皮細(xì)胞發(fā)生極明顯的質(zhì)壁分離現(xiàn)象，液泡極度皺縮，導(dǎo)致細(xì)胞因過度失水而死亡，細(xì)胞未出現(xiàn)質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象。

預(yù)實(shí)驗(yàn)過程中筆者還積極探索了撕取洋蔥表皮的方法，通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)用雙手由內(nèi)向外掰，從折斷處順勢(shì)輕撕，能夠很容易撕取單層的洋蔥鱗片葉紫色外表皮。筆者經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)由于新鮮的洋蔥十分脆，很容易折斷，因此能夠較順利的撕取單層洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞。

三、學(xué)生實(shí)驗(yàn)

讓學(xué)生隨機(jī)的坐在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，每2個(gè)人一張實(shí)驗(yàn)桌[筆者共對(duì)兩個(gè)班學(xué)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分別為高一（1）班及高一（6）班，人數(shù)分別是53人、54人]，每個(gè)實(shí)驗(yàn)桌發(fā)放新鮮的洋蔥鱗片葉表皮一片、鑷子、顯微鏡、蓋玻片一盒、載玻片2張等相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器以及3%的Nacl溶液和30%的蔗糖溶液。

在學(xué)生實(shí)驗(yàn)前，筆者注意到了以下2方面問題：

1.用2%-5%的Nacl溶液處理的洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞隨著Nacl溶液濃度的增加，質(zhì)壁分離復(fù)原率有所下降，但用2%、3%的Nacl溶液處理的洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞質(zhì)壁分離復(fù)原率在可接受范圍內(nèi)。

2.每組學(xué)生必須在短短的45分鐘內(nèi)同時(shí)完成用蔗糖溶液及Nacl溶液處理洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞并對(duì)這兩種溶液處理效果做出評(píng)估，必須要合理安排時(shí)間才能保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌瓿?。綜合考慮用Nacl溶液觀察洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞的質(zhì)壁分離與質(zhì)壁分離復(fù)原時(shí)間控制在10分鐘之內(nèi)最為合適，故將濃度為3%的Nacl溶液用作學(xué)生實(shí)驗(yàn)。蔗糖溶液濃度依然選用教材中給出的0.3g/ml。學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

可以看出，用30%蔗糖溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)高一（1）班的學(xué)生能夠順利完成實(shí)驗(yàn)的概率是65.4%，高一（6）班能夠順利完成實(shí)驗(yàn)的概率是74.1%；用3%Nacl溶液高一（1）班的學(xué)生能夠順利完成實(shí)驗(yàn)的概率是88.5%，高一（6）班能夠順利完成實(shí)驗(yàn)的概率是92.6%。由此得出用3%Nacl溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的成功率要比用30%蔗糖溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)高很多。另外筆者還發(fā)現(xiàn)用3%Nacl溶液處理的洋蔥表皮細(xì)胞更能夠易于觀察到質(zhì)壁分離現(xiàn)象，原因是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%Nacl溶液處理的洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞普遍發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，而用蔗糖溶液處理的洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞多集中在一部分細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離（下圖）。筆者查閱相關(guān)資料未發(fā)現(xiàn)能夠解釋這種現(xiàn)象的原因，通過后續(xù)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)觀察筆者推測(cè)這種現(xiàn)象可能是Nacl溶液要比蔗糖溶液更加容易進(jìn)入到細(xì)胞間隙中導(dǎo)致。

蔗糖溶液處理后的洋蔥表皮細(xì)胞

Nacl溶液處理后的洋蔥表皮細(xì)胞

有研究表明，Nacl溶液濃度為2%～6%的時(shí)候約有50%～90%的細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離②。由于細(xì)胞內(nèi)外存在濃度差，當(dāng)外界溶液為30%蔗糖溶液或者3%Nacl溶液時(shí)，細(xì)胞會(huì)失水。由于失水，原生質(zhì)層就會(huì)向內(nèi)較大幅度收縮，而細(xì)胞壁由于伸縮性較差收縮幅度很小，從而導(dǎo)致細(xì)胞原生質(zhì)層與細(xì)胞壁發(fā)生分離，質(zhì)壁分離后的液泡紫色加深，呈現(xiàn)不規(guī)則的圖形，如月牙形和啞鈴型。

四、小結(jié)

通過上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為：

1.隨著Nacl溶液濃度增大，細(xì)胞外液與細(xì)胞液的濃度差變大，質(zhì)壁分離的速度變快，分離的細(xì)胞數(shù)量隨之增多，現(xiàn)象越明顯。在滴加清水后，原本紫色變深的液泡顏色逐漸變淺直至發(fā)生質(zhì)壁分離的細(xì)胞全部復(fù)原。

2.在取材上，用對(duì)折洋蔥鱗片葉撕取表皮的方法比經(jīng)典的用小刀劃“#”，再用鑷子撕取表皮的方法好，其優(yōu)點(diǎn)是容易操作而且所取表皮一般為單層洋蔥鱗片葉細(xì)胞，有利于顯微鏡下觀察細(xì)胞的形態(tài)變化，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

3.在配制質(zhì)壁分離試劑上，用Nacl作溶質(zhì)配制質(zhì)壁分離試劑比蔗糖的效果好。在試劑的濃度上，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～5%NaCl溶液優(yōu)于教材中介紹的30%蔗糖溶液，其中尤以質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%NaCl溶液為佳。即使不慎有少量NaCl溶液滴落在載物臺(tái)或物鏡上，用吸水紙揩干即可，不會(huì)產(chǎn)生粘連和粘稠感。

4.從經(jīng)濟(jì)價(jià)值上考慮，800人做1次該實(shí)驗(yàn)約需1kg蔗糖，而改用食鹽，只需0.05kg，市場(chǎng)上食鹽要比蔗糖便宜很多，可以節(jié)約開支，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本。

有老師認(rèn)為使用Nacl溶液會(huì)有質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原現(xiàn)象，筆者在預(yù)實(shí)驗(yàn)以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)趙則信研究了鈉離子、氯離子、氨根離子、硝酸根離子等對(duì)質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原的影響，他的實(shí)驗(yàn)證實(shí)引起質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原的離子是硝酸根離子，這也就解釋了為什么用Nacl溶液處理洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞沒能發(fā)現(xiàn)發(fā)生質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原現(xiàn)象③。

【注釋】

① 童席征、劉紅生、毛喜生. 影響“植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原”的若干因素的研究，《生物學(xué)通報(bào)》，1998年第33卷第7期.

② 顧怡、胡興昌. 應(yīng)用Nacl進(jìn)行“植物細(xì)胞質(zhì)壁分離及復(fù)原實(shí)驗(yàn)”的探索，《生物學(xué)教學(xué)》，2012年（第37卷）第6期，47.

③ 趙則信. 影響質(zhì)壁分離自動(dòng)復(fù)原因素的實(shí)驗(yàn)探究，《林區(qū)教學(xué)》，2012年第7期總第184期108-109.

（作者單位：安徽省合肥市第十中學(xué)）