一個(gè)生活化的探究實(shí)驗(yàn)及啟示：生物膜活性對(duì)離子通過(guò)的影響*

徐 彤 曹燕波

（無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué) 江蘇無(wú)錫 214123）

1 問(wèn)題的提出

高中生物學(xué)教材中有“動(dòng)、植物細(xì)胞膜具有選擇透過(guò)性”的內(nèi)容。對(duì)這一核心概念的解析中，各種教材中主要列舉了2個(gè)實(shí)驗(yàn)：一是成熟植物細(xì)胞由于吸水或失水而發(fā)生的質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象，另一個(gè)是哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞吸水漲破現(xiàn)象［1］。前者屬于成熟案例，在實(shí)際教學(xué)中能夠取得較好的觀察效果，可是后者卻由于細(xì)胞 “個(gè)頭小”“顯微鏡下的形態(tài)變化不易被觀察”等缺點(diǎn)在實(shí)施時(shí)效果不夠理想。在組織學(xué)生開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)過(guò)程中，筆者采用了一種更簡(jiǎn)易、更貼近學(xué)生生活實(shí)際的實(shí)驗(yàn)技術(shù)——腌咸蛋。

作為一個(gè)“超級(jí)”動(dòng)物細(xì)胞，鳥(niǎo)卵有卵殼、卵殼膜、卵黃膜幾種阻隔物質(zhì)進(jìn)出的結(jié)構(gòu)。其中卵殼堅(jiān)硬，保護(hù)作用強(qiáng)，上有許多小孔能夠保證鳥(niǎo)卵發(fā)育過(guò)程中所需的空氣流通，因而對(duì)離子進(jìn)出具有全透性［2］；卵殼膜薄、雙層，在卵的鈍端（大頭）2 層膜之間常形成一個(gè)小氣室，為胚胎發(fā)育提供氧氣。曾經(jīng)有研究者將卵氣室所在部位的部分蛋殼去除，制作成一個(gè)簡(jiǎn)易的滲透作用裝置［3］，也有研究者用實(shí)驗(yàn)證明蛋白質(zhì)不能通過(guò)雞蛋膜［4］。所以可以將鳥(niǎo)卵的殼膜作為一層“選擇透過(guò)性膜”對(duì)待。

生活中很容易觀察到一種現(xiàn)象，如果用水彩筆涂熟的雞蛋，顏色在不長(zhǎng)的時(shí)間里就可以透過(guò)“殼”“膜”，滲透到蛋白層。顏料分子不是離子，而是不同分子量的大分子有機(jī)化合物，正常情況下染料大分子應(yīng)該不能進(jìn)入活卵細(xì)胞，這也可以作為卵膜選擇透過(guò)性被破壞的佐證。作為生物膜，殼膜在被破壞前、后選擇透過(guò)性發(fā)生了怎樣的變化？筆者選擇了氯化鈉溶液進(jìn)行研究。

2 原理分析

原理1：不同的環(huán)境條件下，例如高溫、pH過(guò)高或過(guò)低都會(huì)破壞膜的活性。以高溫環(huán)境為例，高溫下蛋白質(zhì)會(huì)出現(xiàn)變性，導(dǎo)致有活性的殼膜喪失選擇透過(guò)性。所以說(shuō)，在控制外界離子進(jìn)入蛋體方面，生卵與熟卵最大的不同應(yīng)該是殼膜選擇透過(guò)性的差異。通過(guò)對(duì)業(yè)內(nèi)人士走訪了解也證實(shí)了上述想法：生卵的蛋清如果沒(méi)有腌制到一定時(shí)間是不太咸或沒(méi)有咸味的；而熟卵腌制不久就會(huì)變咸。

原理2：咸蛋的咸味，主要來(lái)自于腌制液中的離子（鈉離子、氯離子）。

食鹽是腌制咸蛋最常用的材料，當(dāng)Na+和Cl-進(jìn)入蛋體，會(huì)引起蛋清和蛋黃出現(xiàn)咸味。

3 實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1.1 選材 選擇家常食材中體積較小的鵪鶉蛋作為實(shí)驗(yàn)材料，這樣可以縮短實(shí)驗(yàn)周期。使用“雪花鹽”，250 g/袋，江蘇省金橋鹽化集團(tuán)古淮制鹽有限公司生產(chǎn)（氯化鈉含量大于98.5%）。

3.1.2 處理方法 將蛋體充分浸泡在一定濃度的腌漬液中。設(shè)立“開(kāi)水煮熟”（電磁爐高溫水煮處理）的蛋體作為對(duì)照組，比較2種狀態(tài)生物膜的功能特性。

3.1.3 檢測(cè) 選擇2種測(cè)定Na+濃度變化相結(jié)合的方法，分析比對(duì)了解離子通過(guò)不同生物膜的特點(diǎn)。

1）定性測(cè)定。采用實(shí)驗(yàn)者口嘗蛋白咸味的方式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)者口感對(duì)蛋白樣品咸度作出評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)使用“無(wú)咸味”“有咸味”。為減小測(cè)定誤差，實(shí)驗(yàn)者每次口嘗前都使用清水漱口。

2）定量測(cè)定。采用的是“凱氏定氮法”，測(cè)定Na+的含量。 分別選擇 2 h、12 h、30 h、48 h、72 h 等5個(gè)時(shí)段，每組隨機(jī)取3個(gè)樣品的蛋白進(jìn)行測(cè)定。

3.1.4 腌漬液濃度 將氯化鈉腌漬液濃度設(shè)為15%。預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)置18%的食鹽腌漬溶液時(shí)，經(jīng)歷48 h后，生卵組蛋白約有一半出現(xiàn)咸味，熟卵組則全部出現(xiàn)咸味；而10%的食鹽腌漬液48 h內(nèi)生卵組只有個(gè)別出現(xiàn)咸味。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料 生、熟2種鵪鶉蛋若干、氯化鈉、小燒杯、煮鍋、量筒、天平、蒸餾水、凱氏定氮法實(shí)驗(yàn)相關(guān)用具等。

3.3 實(shí)驗(yàn)操作流程

3.3.1 預(yù)實(shí)驗(yàn) 取大小相近的鵪鶉蛋（實(shí)驗(yàn)個(gè)體的蛋殼需完整,無(wú)破裂）一分為二，將其中一半通過(guò)電磁爐煮沸3 min，并自然冷卻。將這2組分別用約18%、10%的食鹽溶液充分浸泡腌漬，時(shí)長(zhǎng)都為48 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別品嘗蛋白咸味情況。具體結(jié)果略。

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，熟卵出現(xiàn)咸味的平均時(shí)間較生卵早?？紤]到鵪鶉蛋蛋體偏小，為了更準(zhǔn)確地檢測(cè)出熟卵開(kāi)始變咸的大致時(shí)間，將氯化鈉腌漬液濃度設(shè)為15%。在取樣時(shí)間間隔上設(shè)定為“前緊后松”，即實(shí)驗(yàn)前2 d尤其是最初一段時(shí)間取樣間隔時(shí)間較短，越往后間隔時(shí)間則越長(zhǎng)。初步設(shè)定為1 h、2 h、4 h、6 h、9 h、12 h、15 h、18 h、20 h、24 h、30 h、36 h、48 h、60 h、72 h 共 15 個(gè)取樣時(shí)間。

3.3.2 材料準(zhǔn)備 以5枚為一組分別設(shè)置生、熟實(shí)驗(yàn)組（圖1）。配制15%的氯化鈉溶液，備用。

圖1 設(shè)置生卵、熟卵實(shí)驗(yàn)組

3.3.3 腌制 根據(jù)預(yù)先設(shè)定的取樣時(shí)間間隔設(shè)置多組，編號(hào)。將鵪鶉蛋置于燒杯內(nèi)，并向燒杯中倒入相同體積15%氯化鈉溶液，保持蛋體始終浸泡在溶液中。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。

圖2 將生卵、熟卵分別浸泡在相同濃度的氯化鈉溶液中

3.3.4 取樣檢測(cè)

1）每次從腌制液中取出生卵后，都使用電磁爐沸水煮沸3 min。

2）將同一取樣時(shí)間的生、熟2組分別去殼、暴露卵黃，并進(jìn)行包括蛋白咸度在內(nèi)的比對(duì)。

圖3 生、熟卵取樣樣品對(duì)比

3）結(jié)合定性測(cè)定與定量測(cè)定2種方式，了解腌漬液離子滲入蛋體情況。

3.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1：實(shí)驗(yàn)者對(duì)蛋白進(jìn)行口嘗定性測(cè)定結(jié)果記錄（部分）如表1。

表1 對(duì)蛋白進(jìn)行口嘗定性測(cè)定結(jié)果

約6 h后熟卵組多數(shù)個(gè)體的蛋白會(huì)出現(xiàn) “變咸”，即腌制液離子明顯進(jìn)入蛋體內(nèi)。從12 h生卵組陸續(xù)開(kāi)始出現(xiàn)變咸個(gè)體，至30 h后比例有所擴(kuò)大。盡管實(shí)驗(yàn)者嘗味準(zhǔn)確度存在一定誤差，但2種卵開(kāi)始變咸所需的時(shí)間卻存在明顯差異。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象2：Na+定量測(cè)定顯示，72 h內(nèi)相同時(shí)段內(nèi)熟卵內(nèi)的Na+含量始終較生卵高。生卵在30 h左右開(kāi)始明顯升高（與口嘗蛋白有咸味兒基本一致），后來(lái)一段時(shí)間則變化不明顯。數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，繪制成坐標(biāo)曲線見(jiàn)圖4。

表2 2組卵在不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)含有 Na+的濃度（每 g蛋白中 Na+的mg數(shù)）

圖4 蛋清中Na+濃度的變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析：熟卵組更容易變咸。原因可能與熟卵殼膜的選擇透過(guò)性喪失有關(guān)。而生卵殼膜對(duì)腌制液中Na+離子的擴(kuò)散具有明顯的“限制作用”，即具有一定的“選擇透過(guò)性”。

4 實(shí)驗(yàn)拓展

最初進(jìn)行這項(xiàng)研究性學(xué)習(xí)課題的時(shí)候，只是想驗(yàn)證一下“有活性的殼膜是否真的會(huì)像細(xì)胞膜那樣具有選擇透過(guò)性”。在查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，制約腌制液離子進(jìn)入蛋體的因素遠(yuǎn)不止“是否喪失膜的選擇透過(guò)性”一種，例如發(fā)現(xiàn)在高濃度氯化鈉溶液中浸泡一段時(shí)間后不論生卵組還是熟卵組，蛋體的總質(zhì)量基本不變。

根據(jù)調(diào)查獲得的資料，學(xué)生還陸續(xù)設(shè)定了一些其他的研究目標(biāo)，例如生卵、熟卵哪種的蛋黃更容易腌出“油”？腌制多長(zhǎng)時(shí)間蛋黃會(huì)出油？工廠生產(chǎn)咸蛋過(guò)程所使用的其他輔料（如白酒）有什么功能？用鹽外包的“干腌”與用濃鹽水“濕腌”哪個(gè)腌制效果更好？

5 由本實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的啟示

用腌咸蛋研究細(xì)胞膜的選擇透過(guò)性是一種源自生活的實(shí)例。由于實(shí)驗(yàn)材料容易獲得，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便易行，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明了，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)易學(xué)易做易懂，因而有助于學(xué)生鞏固對(duì)細(xì)胞膜選擇透過(guò)性的認(rèn)知，對(duì)于提高學(xué)以致用的生物學(xué)素養(yǎng)有著獨(dú)特的作用。

實(shí)踐表明，凡能與日常生活聯(lián)系密切的實(shí)驗(yàn)材料和研究課題都能最大限度地激發(fā)學(xué)生的探究欲望和學(xué)習(xí)熱情，在生物學(xué)教學(xué)中類似的例子還有很多。例如相對(duì)于制作“（由于雜菌污染）沒(méi)法吃”的腐乳，學(xué)生似乎更愿意制作“可以吃的”各種果酒。在“果酒的制作”實(shí)驗(yàn)中，如果教師在提供實(shí)驗(yàn)基本原理介紹的同時(shí)，多講一句“果酒的稱謂完全取決于釀酒的材料”，并布置學(xué)生利用課余時(shí)間在家自主完成其他材料的釀酒嘗試，一定會(huì)有意外的收獲。教師還可以組織學(xué)生利用學(xué)到的有機(jī)物鑒定方法，嘗試對(duì)自己熟悉的食物或飲料進(jìn)行成分鑒定分析。循著這種思路，如果能帶領(lǐng)學(xué)生自己嘗試制作酸奶、做泡菜一定能吸引學(xué)生更積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)相關(guān)的生物學(xué)知識(shí)。

新課程改革倡導(dǎo)探究學(xué)習(xí)，提倡學(xué)生積極嘗試資助學(xué)習(xí)課題研究。這些課題既要圍繞核心概念，又要盡量與學(xué)生的生活相聯(lián)系。針對(duì)學(xué)生對(duì)于“夏季晴朗的中午，植物葉片光合作用強(qiáng)度下降與葉表皮氣孔關(guān)閉的相關(guān)性”缺乏直觀認(rèn)識(shí)，教師可以給予積極的引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課題，例如“蠶豆葉表皮細(xì)胞控制水分進(jìn)出功能研究”。針對(duì)問(wèn)卷調(diào)查顯示，學(xué)生對(duì)豌豆遺傳實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)上最大的困難是沒(méi)見(jiàn)過(guò)豌豆花的結(jié)構(gòu)，可以確定“豆科植物的有性生殖”的課題研究，內(nèi)容包括解剖觀察豌豆花（或者其他豆類花）、人工“去雄”、“人工授粉”“套袋”等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

科學(xué)需要研究，在一次次的嘗試和失敗中學(xué)生才有可能真正理解事物的本質(zhì)與聯(lián)系，才能將提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)其科學(xué)探究的能力落在實(shí)處。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何使學(xué)生實(shí)驗(yàn)更加生活化，更貼近學(xué)生的實(shí)際和適應(yīng)未來(lái)的需求，值得不斷探索。

感謝：感謝江南大學(xué)食品系陸乃彥副教授及實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)提供蛋白樣品中Na+濃度的定量檢測(cè)，王小元教授給予的相關(guān)生物學(xué)原理的分析和提示，以及輔仁高中沈唯軍博士對(duì)數(shù)據(jù)處理的大力支持。