“甲狀腺素促進(jìn)蝌蚪變態(tài)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)*

王 穎 趙 碩 翁婧寧 張志祥

（寧波市惠貞書院 浙江寧波 315016）

“甲狀腺素促進(jìn)蝌蚪變態(tài)”是高中生物學(xué)教材必修3 第2 章“動物生命活動的調(diào)節(jié)”中的重要實(shí)驗(yàn)。蝌蚪從水棲幼體變態(tài)發(fā)育至陸棲成體，體內(nèi)的各個組織和系統(tǒng)均需經(jīng)過重構(gòu)，例如尾部逐漸萎縮至趨于消失，成對附肢代替了鰭［1］。甲狀腺素是影響蝌蚪變態(tài)發(fā)育的重要激素，主要作用是促進(jìn)物質(zhì)代謝與能量轉(zhuǎn)化，能直接影響兩棲動物的變態(tài)［2］；抑制甲狀腺的藥物則會使甲狀腺機(jī)能減退，導(dǎo)致幼年期的延長或阻止變態(tài)發(fā)育的發(fā)生［3］。目前，中學(xué)實(shí)驗(yàn)往往采集蛙的受精卵或體長不足10 mm 的小蝌蚪探究甲狀腺素對蝌蚪體長變化的促進(jìn)作用。然而，蛙受精卵的采集難度較大，體長太短的蝌蚪不易測量，需要花費(fèi)一定時間培養(yǎng)至適宜體長，且難以保證在某一教學(xué)時間內(nèi)能采集到相應(yīng)發(fā)育時期的蝌蚪，同時，鮮有中學(xué)一線教師探究不同濃度甲狀腺抑制劑處理下蝌蚪的變態(tài)發(fā)育情況。因此，本文選擇已成長至接近最大體長的蝌蚪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時實(shí)驗(yàn)中增設(shè)不同濃度甲狀腺抑制劑處理的實(shí)驗(yàn)組，比較不同濃度甲狀腺素和甲狀腺抑制劑對蝌蚪變態(tài)發(fā)育的不同影響。旨在通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，縮短整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)周期，加深學(xué)生對2 種激素的認(rèn)識和理解，發(fā)展學(xué)生分析和處理信息、從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中歸納和總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的能力，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 4月初在寧波市惠貞書院小池塘采集同一群蝌蚪百余只作為實(shí)驗(yàn)材料備用；甲狀腺素藥片（為純度較高的左甲狀腺素鈉片）、甲狀腺素抑制劑藥片（甲巰咪唑片）、100 mL 燒杯8 個、培養(yǎng)皿2 個、規(guī)格為1 mm×1 mm 的網(wǎng)格紙2 張、研缽2 個、玻璃棒2 根、蝌蚪撈網(wǎng)2 個、小型氧氣泵9 個、塑料水槽9 個。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 取塑料水槽9 個，分別編號1～9，放入1 500 mL 清水，約至水槽高度的2／3，在水槽底部鋪上等量小型鵝卵石，再挑選生長狀況基本一致的蝌蚪（體長26～28 mm）各15 只置于塑料水槽中，同時放入供氧裝置，為蝌蚪生存提供充足的氧氣。

1號水槽加入500 mL 清水作為對照組；研磨不同質(zhì)量的左甲狀腺素鈉片（每片含50 μg 左甲狀腺素鈉），充分溶解在500 mL 清水中，依次倒入2～7號 水槽，配制成濃度分別為25 μg／L、50 μg／L、75 μg／L、100 μg／L、125 μg／L 和150 μg／L 的左甲狀腺素鈉溶液；研磨不同質(zhì)量的甲巰咪唑片（每片含10 mg 甲巰咪唑），溶解在500 mL 清水中，依次倒入8～9 號水槽，配制成濃度分別為7.5 mg／L 和15 mg／L 的甲巰咪唑溶液。定時投喂適量飼料以供蝌蚪生長發(fā)育所需。

每隔2 d 測量蝌蚪體長。利用蝌蚪撈網(wǎng)撈取蝌蚪，置于帶有少量清水的培養(yǎng)皿中，同時將培養(yǎng)皿置于網(wǎng)格紙上，盡量使網(wǎng)格紙的邊線與蝌蚪位置一致，從而讀取蝌蚪體長數(shù)據(jù)。測量完畢后，清理蝌蚪的代謝廢物，更換水槽內(nèi)3／4 的清水，倒入相應(yīng)劑量的藥片研磨液，投喂飼料。

1.3 數(shù)據(jù)處理 每隔2 d 統(tǒng)計(jì)每組蝌蚪死亡個數(shù)，觀察并測量蝌蚪形態(tài)變化情況，連續(xù)測量10 d，用Excel 統(tǒng)計(jì)每組蝌蚪平均體長變化情況及標(biāo)準(zhǔn)差，比較各組體長變化與前肢生長變化情況、尾巴縮短至消失的情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度甲狀腺素及抑制劑對蝌蚪體長變化的影響 由表1可知，在25～150 μg／L 甲狀腺素濃度范圍內(nèi)，隨著甲狀腺素濃度的增加，蝌蚪體長縮短程度加強(qiáng)，促進(jìn)蝌蚪變態(tài)發(fā)育的作用更明顯。當(dāng)濃度到達(dá)125 μg／L 時，蝌蚪體長縮短比例最大，達(dá)62.1%，此后，蝌蚪體長縮短比例開始減小。與清水組相比，甲狀腺素處理的蝌蚪體長縮短比例幾乎為清水組蝌蚪體長縮短比例的2 倍及以上?？梢娫谠摑舛确秶鷥?nèi)，尚未出現(xiàn)高濃度甲狀腺素抑制蝌蚪變態(tài)發(fā)育的現(xiàn)象。甲狀腺抑制劑處理組蝌蚪體長縮短比例均低于清水組，清水組體長縮短比例為25.6%，而7.5 mg／L 抑制劑處理組蝌蚪體長縮短比例僅有18.3%，15 mg／L 抑制劑處理組比例更是低至14.8%，這說明了甲狀腺抑制劑的使用效果和甲狀腺抑制劑濃度有關(guān)，即甲狀腺抑制劑濃度越高，延遲或阻礙蝌蚪變態(tài)發(fā)育的效果越明顯。

表1 不同濃度甲狀腺素及抑制劑對蝌蚪體長變化的影響

此外，在測量的第5 天開始，大批蝌蚪開始出現(xiàn)前肢，尾巴逐漸縮短，這一時期屬于蝌蚪變態(tài)高峰期，也是蝌蚪轉(zhuǎn)化為幼蛙的關(guān)鍵時期，此時蝌蚪體內(nèi)甲狀腺素分泌量迅速升高且達(dá)到頂峰［4］。而各組蝌蚪在測量的第5～7 天期間，體長變化幅度均最大。說明處于變態(tài)高峰期的蝌蚪，甲狀腺素含量達(dá)最高，生長發(fā)育速度也最大。

2.2 不同濃度甲狀腺素及抑制劑對蝌蚪存活率的影響 不同濃度甲狀腺素對蝌蚪存活率的影響不盡相同（圖1）。除清水組外，甲狀腺素處理下的其余各組均有蝌蚪死亡。在25～150 μg／L 甲狀腺素濃度范圍內(nèi)，隨著甲狀腺素濃度升高，蝌蚪存活率逐漸降低，當(dāng)濃度高達(dá)125 μg／L 之后，死亡率甚至超過存活率，達(dá)到60.0%。由此可見，高濃度的甲狀腺素對蝌蚪有致死作用。不同濃度甲狀腺抑制劑對蝌蚪存活率的影響情況也不一樣。7.5 mg／L 甲巰咪唑處理下的蝌蚪全部存活，與清水組的存活率一致，說明該劑量甲狀腺抑制劑尚未對蝌蚪的生命造成威脅，而15 mg／L 甲巰咪唑處理下蝌蚪死亡4 只，死亡率占到26.6%。

圖1 不同濃度的甲狀腺素及抑制劑對蝌蚪存活率的影響

2.3 甲狀腺素及抑制劑對蝌蚪前肢發(fā)育的影響比較 前肢的出現(xiàn)意味著蝌蚪的變態(tài)發(fā)育達(dá)到高峰。比較清水、75 μg／L 甲狀腺素溶液和7.5 mg／L抑制劑處理下的蝌蚪發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)適量甲狀腺素能促進(jìn)蝌蚪變態(tài)發(fā)育，而甲狀腺抑制劑會抑制蝌蚪變態(tài)發(fā)育（圖2）。在實(shí)驗(yàn)第3 天清水組蝌蚪首次長出前肢，第9 天已有12 只蝌蚪出現(xiàn)前肢。甲狀腺素處理組蝌蚪發(fā)育比清水組快，部分蝌蚪也在第3 天長出前肢，第5 天出現(xiàn)發(fā)育高峰，具前肢的蝌蚪數(shù)量高達(dá)11 只，第9 天全部15 只蝌蚪出現(xiàn)前肢。而甲狀腺抑制劑處理組蝌蚪發(fā)育比清水組遲緩，甲狀腺抑制劑組蝌蚪首先出現(xiàn)前肢的時間較清水組晚2 d，且在實(shí)驗(yàn)第9 天，也僅有2／3 的蝌蚪出現(xiàn)前肢。

圖2 3 種溶液中蝌蚪前肢生長情況比較

3 結(jié)論與討論

中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往選擇受精卵或未長出后腿的幼年蝌蚪作為實(shí)驗(yàn)材料，然而，蛙的受精卵在野外較難找到，較小的蝌蚪在測量上存在一定難度，若花費(fèi)時間將蛙卵或小蝌蚪培養(yǎng)至適宜觀察和測量的體長，又延長了實(shí)驗(yàn)周期。本文選擇已長出后腿、體長達(dá)到最大階段的蝌蚪，著眼于蝌蚪體長縮短、尾巴消失的變化過程，拓寬了采集實(shí)驗(yàn)材料的時間范圍，打破了教學(xué)時間和當(dāng)?shù)赝苈鸦蝌蝌桨l(fā)育時間不協(xié)調(diào)的局面，使得開展“甲狀腺素促進(jìn)蝌蚪變態(tài)”實(shí)驗(yàn)在時間上更具靈活性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率也明顯提高。甲狀腺素促進(jìn)兩棲動物的變態(tài)發(fā)育，而甲狀腺抑制劑阻礙生物的生長發(fā)育，2 種激素相互拮抗。增設(shè)甲狀腺抑制劑處理組有利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會比較、分析并處理信息，對各種激素的相互作用關(guān)系有更深入的認(rèn)識，學(xué)會從生物學(xué)現(xiàn)象中歸納生物學(xué)概念或知識，并以此解釋生活中遇到的生物學(xué)問題。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，某一濃度范圍內(nèi)，隨著甲狀腺素濃度增加，蝌蚪體長縮短比例逐漸上升，而高濃度甲狀腺素導(dǎo)致蝌蚪部分死亡。隨著甲狀腺抑制劑濃度增加，蝌蚪體長縮短比例逐漸下降，蝌蚪前肢出現(xiàn)的時間也較甲狀腺素處理組更晚。由此可見，盡管選擇了發(fā)育后期的蝌蚪作為實(shí)驗(yàn)材料，也能觀察到“甲狀腺素低濃度促進(jìn)，高濃度抑制；甲狀腺抑制劑阻礙生長”的現(xiàn)象，獲得良好的實(shí)驗(yàn)效果。同時，學(xué)生在探究中也能清晰地觀察到蝌蚪變態(tài)發(fā)育的過程，了解到蝌蚪雖然數(shù)量眾多，但是自然條件下幼體存活率卻很低，從而喚起學(xué)生對大自然中各種小生命的關(guān)心與愛護(hù)，這對生命觀念和社會責(zé)任的培養(yǎng)大有裨益。

需要注意的是，在預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)未放置氧氣泵的一組蝌蚪幾乎在1～2 d 內(nèi)全部死亡，可見氧氣泵對蝌蚪的存活情況起著關(guān)鍵作用。此外，在蝌蚪前肢逐漸長出、尾巴消失的過程中，要及時采摘一些葉面積較大的水生植物，放置在水槽中讓其漂浮在水面上，以供蝌蚪適應(yīng)由鰓呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)橛煞魏粑⑵つw輔助呼吸的發(fā)育過程；或選擇體積較大的小石鋪出一定的坡度，保證部分小石露出水面供蝌蚪棲息。