利用馬鈴薯和糕粿探究“細胞大小對物質(zhì)運輸速率的影響”

舒端陽 （廣東省揭陽華僑高級中學 廣東揭陽 522000）

1 教材分析

“細胞大小對物質(zhì)運輸?shù)挠绊憽笔歉咧猩飳W人教版必修1第6章的探究性實驗。細胞大小是指細胞的表面積與體積之比（即相對表面積），教材中采用邊長分別為3 cm、2 cm、1 cm含有酚酞的瓊脂塊為模型，代表大小不同的細胞，并將其放入NaOH溶液中浸泡數(shù)分鐘，浸泡后將瓊脂塊取出切開，觀察比較橫切面中NaOH擴散的深度。筆者認為教材中的實驗從選材和方法上都能很好地表達出實驗設計者的意圖，但不足之處在于，首先瓊脂對于剛進入高中的學生來說比較陌生，其次實驗中使用的NaOH對皮膚具有腐蝕性，因此數(shù)量較多的學生在實驗室進行操作時存在一定的安全隱患。

為了改進上述問題，筆者查閱了其他版本的教材，浙教版與人教版相似，也是將含有酚酞的瓊脂塊“細胞”浸入NaOH溶液，然后觀察紅色浸潤的程度［1］；美國版高中生物學教材《Biology-Principles&Explorations》采用了逆向思維，即將含有堿性酚酞的粉紅色瓊脂塊放入白醋中，白醋遇到酚酞后紅色褪去，通過觀察瓊脂塊褪色的程度估測白醋進入擴散細胞的效率［2］。

2 實驗改進

受顏色反應的啟發(fā)，利用淀粉和碘液反應變藍的原理，將富含淀粉的馬鈴薯和糕粿切成大小不等的立方體塊，以代替教材中的瓊脂塊。糕粿是將大米磨成米漿，加熱冷卻凝固后呈白色塊狀的食物，深受潮汕地區(qū)民眾喜愛，糕粿和馬鈴薯都是本地學生日常生活中的常見食物，用其作為實驗材料更加貼近學生生活；此外，以碘液代替NaOH，實驗操作中安全性更高，且學生剛學過淀粉的鑒定實驗，溫故知新，也能起到承上啟下的效果。

3 實驗材料及方法

3.1 實驗材料 馬鈴薯、糕粿、碘-碘化鉀溶液（碘化鉀 15 g，蒸餾水 500 mL，碘 5 g）、水果刀、尺子、燒杯、鐵架臺、酒精燈。

3.2 實驗步驟

1）學生分成A、B、C 3組，在教師指導下將削皮后的馬鈴薯和糕粿分別切成邊長為3 cm、2 cm和1 cm的正方體若干個。

2）考慮到馬鈴薯塊莖中的活細胞會阻止碘分子的擴散作用，影響染色效果，取邊長為3 cm、2 cm和1 cm的正方體各3個，放入沸水中加熱10 min將細胞殺死。

3）A組學生將加熱處理過的馬鈴薯塊按照邊長3 cm、2 cm、1 cm分為3組，分別放入3個盛有碘液的燒杯中浸泡10 min、20 min和30 min。

4）B組學生按照第1組學生的方法將未經(jīng)加熱處理的馬鈴薯塊分別放入另3個盛有碘液的燒杯中浸泡 10 min、20 min和 30 min。

5）C組學生以同樣的操作方法處理切好的糕粿塊。

6）在相應時間依次取出燒杯中的土豆塊和糕粿塊，用濾紙吸干表面殘留的碘液，用小刀將其切開，觀察藍色浸潤的程度，并用直尺測量碘液擴散的距離。

7）為減少誤差，各組學生將上述實驗再重復2次，取3次實驗數(shù)據(jù)的平均值，以降低誤差，使實驗數(shù)據(jù)更加準確。

4 實驗結(jié)果

4.1 碘液擴散率 將馬鈴薯（或糕粿）塊中變藍色的體積占相應方塊的總體積比作為碘液擴散率，比值越大說明物質(zhì)擴散的程度越大，結(jié)果見表1、表2。

表1 碘液在大小不同的馬鈴薯塊和糕粿塊中的擴散深度（單位：cm）

表2 碘液在大小不同的馬鈴薯塊和糕粿塊中的擴散率（%）

5 分析與討論

從實驗結(jié)果來看，碘液浸入馬鈴薯塊的效率較低，即便是加熱沸煮后的馬鈴薯塊其擴散率也很低，很可能是馬鈴薯塊莖中組織細胞排列過于緊密，而碘分子本身分子量較大，在短時間內(nèi)產(chǎn)生較好的擴散效果較為困難（圖1）；如果將碘液浸泡時間延長，也許效果更佳，但因課堂時間有限，教學實驗往往又要在一節(jié)課內(nèi)完成，因此筆者認為馬鈴薯不適合作為該實驗的材料。

圖1 擴散效果

相較而言，糕粿的實驗效果就比較明顯，結(jié)果顯示邊長1 cm的方塊碘液擴散率最大，2 cm的樣品次之，3 cm的擴散效果最差；大小相同的樣品，浸泡的時間越長（如碘液處理30 min的糕粿塊）擴散率越大，反之越小，這些都與教材中的結(jié)論相符（圖2～圖8）。筆者認為這很可能是因糕粿由大米碾碎制成，水稻細胞在碾碎過程中已被完全破碎，從而失去了對染料分子的選擇透過性，且水稻本身富含淀粉，因此與碘液發(fā)生顏色反應的現(xiàn)象也會更加明顯。

圖2 剛切好未浸泡碘液的糕粿塊

圖3 浸泡10 min的糕粿塊

圖4 浸泡20 min的糕粿塊

圖5 浸泡30 min的糕粿塊

圖6 邊長1 cm的糕粿塊

圖7 邊長2 cm的糕粿塊

圖8 邊長3 cm的糕粿塊

本實驗說明糕粿可以作為檢測“細胞大小對物質(zhì)運輸”實驗的材料。教材中選用的瓊脂塊學生大都感到陌生，且實驗操作前教師要事先將瓊脂粉加熱冷凝后才能制得，操作相對繁瑣；而糕粿作為潮汕地區(qū)的常見食物，學生普遍比較熟悉，有良好的感性認識。糕粿價格便宜，從市場買回即可直接切塊進行染色實驗；其次采用碘液對糕粿進行染色，避免使用具有腐蝕性的NaOH，保證了實驗的安全性；且通過本節(jié)實驗教學，也使學生溫習回顧了碘液使淀粉變藍的知識點。

但是本實驗也存在不足，不同學生切出的糕粿塊大小各異，一定程度上影響了實驗結(jié)果的準確性。如果能使用某種機械準確地切出規(guī)格不同的糕粿塊，結(jié)果會更有說服力。

6 結(jié)論

本節(jié)實驗證明糕粿較馬鈴薯更適合作為實驗材料。探究發(fā)現(xiàn)，切開后的糕粿塊藍色（碘液）擴散進去的深度基本相同，所以體積越小的糕粿塊擴散進去的體積占總體積的百分比越大，間接說明細胞不能無限長大，當細胞生長到一定程度時就會進行分裂，因為細胞越小物質(zhì)擴散的效率越高。

主要參考文獻

［1］吳相鈺，劉恩山.普通高中課程標準實驗教科書.生物學必修1：分子與細胞.杭州：浙江科學技術出版社，2012：23.

［2］Kenneth A Mason,Jonathan B Losos,Susan R Singer.Biology.9 Ed.The McGraw-Hill Company，2008.