食物泡在草履蟲體內(nèi)移行現(xiàn)象與伸縮泡頻率的相關(guān)研究分析

唐發(fā)輝　趙元莙　汪婷

摘要：草履蟲不僅是動(dòng)物學(xué)教學(xué)中的重要模式生物，也是科學(xué)研究的重要研究材料。本研究以草履蟲為研究對(duì)象，通過其攝食消化現(xiàn)象及伸縮泡的伸縮頻率的觀察研究發(fā)現(xiàn)，伸縮頻率的變化與攝食及消化狀態(tài)之間存在一定的相關(guān)關(guān)系：形成食物泡時(shí)伸縮頻率較高；食物泡堆積于體后端時(shí)，伸縮頻率仍較高；食物泡在向體前方移行過程中，伸縮頻率升高至最高值；食物泡從體前端向體后端開始移行時(shí)，伸縮頻率開始降低；排出食物殘?jiān)鼤r(shí)，伸縮頻率降低至最低值。

關(guān)鍵詞：草履蟲；食物泡；移行；伸縮泡；伸縮頻率

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）08-0067-02

一、前言

草履蟲（Paramecium caudatum）隸屬原生動(dòng)物門（Phylum Protozoa）纖毛綱（Ciliata），是動(dòng)物界中較原始、較低等、較典型的單細(xì)胞動(dòng)物，因其形態(tài)似草鞋而得名，常見種類主要有尾草履蟲和旋毛草履蟲等。由于草履蟲具有個(gè)體大、易培養(yǎng)、繁殖快等特點(diǎn)，已成為動(dòng)物學(xué)、實(shí)驗(yàn)生物學(xué)中的常用教學(xué)材料，也是教學(xué)和科研必備的模式生物，在生理學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)以及生物化學(xué)等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，草履蟲也是環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究中用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和水質(zhì)凈化的活性生物材料。故觀察研究草履蟲攝食過程（包括食物在體內(nèi)的形成與食物泡的體內(nèi)的移行過程）以及與草履蟲伸縮泡伸縮頻率的相關(guān)關(guān)系，不僅可以了解草履蟲的攝食與水分調(diào)節(jié)情況，還可進(jìn)一步為用草履蟲作為凈水指示生物提供理論依據(jù)[1]。

二、材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)材料、試劑與器具。實(shí)驗(yàn)材料：草履蟲、米粒、紗布、棉花、牙簽；試劑：洋紅粉末、95%乙醇；器具：Nikon SMZ1500體視鏡、Nikon E600生物顯微鏡、水浴鍋、人工氣候箱、燒杯、毛細(xì)微管、滴管、載玻片與蓋玻片等。

2.實(shí)驗(yàn)方法。草履蟲的采集：于野外進(jìn)行草履蟲的采集[2]，并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下一步的單克隆培養(yǎng)。草履蟲的培養(yǎng)：通過米粒培養(yǎng)液的制備進(jìn)行草履蟲的單克隆培養(yǎng)。草履蟲的活體觀察：使用棉纖維阻滯法和蛋清困擾法對(duì)草履蟲的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限制，以起到草履蟲攝食及食物泡移行現(xiàn)象的最佳觀察效果[3]。相關(guān)數(shù)據(jù)記錄與分析：通過顯微拍照記錄草履蟲的攝食現(xiàn)象、食物泡的形成、食物殘?jiān)呐懦鲆约吧炜s泡收集和排出水分等現(xiàn)象的變化過程，并分別記錄下食物泡形成所需的時(shí)間、食物泡在體內(nèi)移行所需的時(shí)間以及伸縮泡的伸縮頻率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以揭示草履蟲攝食與排水的相關(guān)性分析。

三、研究結(jié)果與討論

1.研究結(jié)果。草履蟲攝食及食物泡移行現(xiàn)象。通過研究表明，食物經(jīng)草履蟲的口溝從胞口進(jìn)入胞咽，在胞咽下端形成小泡后脫落，即為食物泡，此過程比較迅速（用時(shí)1分鐘左右），在顯微鏡下可觀察到洋紅粉末快速地進(jìn)入胞咽形成食物泡；食物泡形成后在草履蟲體內(nèi)按一定路徑移行，從體后端向體前端移行，又從體前端移行到體后端，最終排出食物殘?jiān)ㄓ脮r(shí)10分鐘左右）。此外，草履蟲從攝食到食物泡完全形成所需時(shí)間在1分鐘左右；草履蟲從攝食到食物殘?jiān)懦龅倪^程所需時(shí)間在10～15分鐘左右。

草履蟲伸縮泡伸縮頻率：草履蟲前后各有一個(gè)伸縮泡，交替伸縮，調(diào)節(jié)體內(nèi)水分平衡。草履蟲伸縮泡伸縮頻率并不是一個(gè)固定值，變化幅度在3～15次/分鐘，具體伸縮頻率的高低通常與草履蟲自身的生理狀態(tài)有關(guān)：在整個(gè)攝食與消化過程中，消化中期伸縮頻率最高（平均14次/分鐘），殘?jiān)懦銎诘纳炜s頻率最低（平均4.3次/分鐘）；此外，伸縮頻率還與草履蟲所處環(huán)境的水量有關(guān)，伸縮頻率隨水量的改變也不同。

2.討論。草履蟲攝食及食物泡移行規(guī)律：草履蟲在運(yùn)動(dòng)過程中，胞咽內(nèi)由纖毛組成的小膜與口溝內(nèi)纖毛的協(xié)調(diào)擺動(dòng)，激起一股沖著胞口流動(dòng)的水流，使得食物顆粒隨著水流進(jìn)人胞咽。食物在胞咽內(nèi)，隨胞咽內(nèi)纖毛的運(yùn)動(dòng)，被攜帶至胞咽后部，聚集在一起，被胞咽皮層分泌的膜包裹。食物繼續(xù)往后朝內(nèi)質(zhì)移行，在胞咽底部形成食物泡。這個(gè)過程較為迅速，只需1分鐘左右即可完成，在顯微鏡下可清晰看到洋紅粉末不斷進(jìn)入胞咽底部，食物泡隨著洋紅粉末的增多而變大直到一定大小，便由其周圍流動(dòng)著的原生質(zhì)將它從胞咽末端帶走[4]。由于草履蟲繼續(xù)攝食，另一個(gè)食物泡又開始在胞咽末端形成，成形的食物泡首先懸浮在草履蟲體后端，由于形成食物泡的速度較快，而食物泡在體內(nèi)移行的速度則相對(duì)慢一些，所以一段時(shí)間后在草履蟲體后端便會(huì)有多個(gè)食物泡堆積，在體后端停留時(shí)間約2分鐘左右。在這個(gè)時(shí)期，食物泡在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)過失水稍有減小，但此時(shí)食物泡內(nèi)沒有酶的活動(dòng)，其中的食物也沒有明顯的變化。食物泡運(yùn)動(dòng)后，能誘導(dǎo)溶酶體的產(chǎn)生，食物泡在繼續(xù)運(yùn)動(dòng)中大量失水，體積明顯縮小，溶酶體便靠近食物泡并與之結(jié)合。酶進(jìn)入到食物泡內(nèi)部，與其中的食物相作用，發(fā)生強(qiáng)烈的消化反應(yīng)，食物顆粒被逐漸消化，此過程約需要5分鐘，此時(shí)食物泡已移動(dòng)到草履蟲體前端。食物被繼續(xù)消化直至消化完成，食物泡向后移行到草履蟲體中部，食物泡大大減小，其中只殘留不能被消化的廢物，此過程約需1分鐘。此時(shí)，食物泡通過吸水稍有膨大，食物泡在繼續(xù)運(yùn)動(dòng)終于在接近胞肛的地方逐漸消失，殘?jiān)鼊t經(jīng)過胞肛排出，顯微鏡下可清晰看到洋紅粉末從胞肛被迅速排出，排出后胞肛閉合，此過程約需4分鐘左右。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看來，草履蟲從攝入食物開始，直至食物殘?jiān)懦鲶w內(nèi)，所需要的時(shí)間約在10～15分鐘左右。草履蟲本身生理狀態(tài)、所處環(huán)境的水量和食物量等因素，都會(huì)使完成該過程所需要的時(shí)間有所不同[4]。

草履蟲伸縮泡伸縮頻率的變化：伸縮泡作為調(diào)節(jié)草履蟲體內(nèi)水分調(diào)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)，其作用方式是通過在伸縮泡主泡及收集管上的收縮絲收縮使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)收集的水分和代謝廢物排入收集管，注入伸縮泡的主泡，通過表膜小孔（或稱排泄孔）排出體外。在顯微鏡下，可清楚地觀察到前后兩個(gè)伸縮泡交替伸縮，排出體內(nèi)多余水分，舒張期往往較收縮期長(zhǎng)一些，并且靠近口端即位于體后端的伸縮泡較遠(yuǎn)口端的伸縮泡的伸縮更快。某數(shù)據(jù)記錄了伸縮泡在不同狀態(tài)下的伸縮頻率，該數(shù)據(jù)表明，伸縮泡的伸縮頻率在不同生理狀態(tài)下不同，且呈一定規(guī)律改變。在非進(jìn)食階段，草履蟲平均伸縮頻率為8.6次/分鐘。以非進(jìn)食階段的伸縮頻率為標(biāo)準(zhǔn)，可發(fā)現(xiàn)草履蟲攝食和消化過程中伸縮頻率發(fā)生了明顯的變化：食物消化中期伸縮頻率最高，平均14.0次/分鐘；食物泡形成期伸縮頻率較高，平均10.7次/分鐘；食物消化前期伸縮頻率次高，平均9.7次/分鐘；食物消化后期伸縮頻率較低，平均6.2次/分鐘；殘?jiān)懦銎谏炜s頻率最低，平均4.3次/分鐘。endprint

3.伸縮頻率與攝食相關(guān)關(guān)系的探索性分析?；谏鲜鼋Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，伸縮頻率的變化與攝食及消化狀態(tài)之間存在一定的相關(guān)關(guān)系：攝食與食物泡的移行過程使體內(nèi)水分變化，從而影響水分調(diào)節(jié)。具體表現(xiàn)為：攝食階段，食物進(jìn)入胞咽的同時(shí)，體外水分伴隨著食物一同進(jìn)入，隨著食物的不斷增多，水分也在增多，并且未成形的食物泡體積在持續(xù)增大，使草履蟲體內(nèi)水分增加的同時(shí)，儲(chǔ)水的空間有所減小[5]。此時(shí)，為了使水分平衡，伸縮泡加快伸縮，每次舒張主泡內(nèi)裝滿水后，便迅速收縮將多余的水分排出。很快，草履蟲體內(nèi)的水分又重新達(dá)到平衡狀態(tài)，停留于草履蟲身體后端且處于食物消化前期的食物泡，在運(yùn)動(dòng)中稍有縮水[4]，使體內(nèi)水分增多，因此伸縮頻率仍然高于未攝食階段。食物消化中期，食物泡已在運(yùn)動(dòng)中大量失水，水分流入胞質(zhì)中，食物泡與溶酶體結(jié)合進(jìn)行消化，此時(shí)由于自身的新陳代謝活躍隨之產(chǎn)生部分水分，因此該階段中草履蟲體內(nèi)水分又迅速增多，故伸縮泡加快伸縮以排出多余水分，達(dá)到了伸縮頻率的最高值。食物消化完成后，食物泡體積減小，進(jìn)入食物消化后期，食物泡內(nèi)殘留著不能被消化的廢物，食物泡又通過吸水稍有膨大[5]。吸水使胞質(zhì)內(nèi)水分減少，因此伸縮泡的伸縮減慢，伸縮頻率低于未攝食階段。后期的食物泡繼續(xù)移行，靠近胞肛時(shí)食物泡消失，胞肛開口將剩余的殘?jiān)懦鲶w外，同時(shí)也排出了部分水分，又由于此階段草履蟲新陳代謝緩慢，體內(nèi)水分較平時(shí)要少一些，因此在此過程中，伸縮頻率達(dá)到了最低值。在完成消化過程后，草履蟲又進(jìn)入非攝食時(shí)期，伸縮頻率漸漸恢復(fù)。本實(shí)驗(yàn)中由于草履蟲所處的環(huán)境是有蓋玻片覆蓋的載玻片上，周圍水分有限，而伸縮泡的伸縮頻率除了與自身生理狀態(tài)有關(guān)之外，還與周圍環(huán)境有關(guān)，因此實(shí)驗(yàn)中的伸縮頻率數(shù)據(jù)也許與在自然環(huán)境中的伸縮頻率有所出入，但其規(guī)律是基本一致的。通過本研究的結(jié)果可得出：攝食及消化狀態(tài)影響伸縮頻率的變化。攝食期間，形成食物泡時(shí)伸縮頻率較高；食物泡堆積于體后端時(shí)，伸縮頻率仍較高；食物泡向體前方移行過程中，伸縮頻率升高至最高值；食物泡從體前端向體后端開始移行時(shí)，伸縮頻率開始降低；排出食物殘?jiān)鼤r(shí)，伸縮頻率降低至最低值。

參考文獻(xiàn)：

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