“細胞質壁分離及自動復原”探究實驗設計與實施

陳忠亮 唐蓓蓓 馬會放

摘要：以紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞為材料，用Na₂MoO₄和ATP混合液處理已發(fā)生質壁分離的細胞，通過觀察液泡顏色變化和質壁分離復原狀態(tài)，推測出離子通過主動運輸進入細胞導致細胞滲透壓升高細胞吸水，質壁分離自動復原。細胞在質壁分離下加入Na₂MoO₄和ATP混合液，實驗結果顯示，質壁分離的細胞先被染成藍色，然后才漸漸看到細胞出現(xiàn)質壁分離及自動復原。

關鍵詞：主動運輸，質壁分離自動復原，生物學實驗

中圖分類號Q-331文獻標志碼：B

1 課題研究的背景與意義

離子跨膜運輸和質壁分離復原是高中生物學的重要概念。對該內容的學習時，教師一般以講授為主，輔以圖片，因此學生缺乏對這一重要概念的感性認識，無法真正理解。如果教師設計簡單易行的實驗，使學生真實地看到離子進入細胞引起細胞質壁分離后自動復原的現(xiàn)象，有助于學生理解并建構這一重要概念。

在中學生物學實驗中，“質壁分離及復原實驗”選用的洋蔥外表皮細胞含有大量花青素。植物花青素可作為天然酸堿指示劑，當離子跨膜運輸后導致細胞內酸堿環(huán)境改變，會引發(fā)花青素變色。學生制作臨時裝片，在質壁分離實驗的基礎之上繼續(xù)操作步驟即可實施實驗，并觀察現(xiàn)象。

2 實驗原理

花青素可作為天然酸堿指示劑，在酸性環(huán)境中偏紅色，在堿性環(huán)境中偏藍色。紫色洋蔥外表皮細胞的細胞液pH偏酸性而使液泡呈現(xiàn)紫紅色。無機鹽的種類很多，其中鈉離子和鉬（Mo）離子是植物細胞必需的微量元素，植物吸收鉬酸鈉是主動運輸?shù)倪^程。Na₂MoO₄是強堿弱酸鹽，質量分數(shù)為5%的水溶液在25℃、pH為9～10時，溶液顏色為無色透明。鉬酸鈉水溶液和ATP溶液無色透明，不會對結果產(chǎn)生顏色干擾。用物質量濃度0.01mol/L的Na₂MoO₄和5x10^-11ATP混合液處理紫色洋蔥外表皮細胞，可在顯微鏡下觀察到液泡顏色由紫紅逐漸變成藍色。

3 實驗材料及用具

紫色洋蔥鱗片葉，物質量濃度為0.01mol/L的Na₂MoO₄溶液，5x10^-11ATP，質量濃度0.3g/mL的蔗糖溶液，清水，刀片，鑷子，微量移液器，載玻片，蓋玻片，吸水紙，光學顯微鏡。

4 思路設計

洋蔥外表皮細胞紫色液泡的變色速度與鉬酸鈉溶液的濃度呈正相關。如果細胞都發(fā)生變色，可能影響其本身的活性。根據(jù)pH使細胞中花色素的變色原理，pH逐漸增大，細胞液呈堿性，會使一部分酶失活，影響細胞的正常代謝。因此本實驗選用鉬酸鈉溶液的物質量濃度為0.01mol/L。用物質量濃度0.01mol/LNa₂MoO₄和5x10^-1ATP混合液處理質壁分離的細胞，觀察質壁分離的細胞細胞液顏色的變化和細胞質壁分離自動復原的先后時間順序。

5 實驗步驟

（1）制作洋蔥鱗片葉外表皮的臨時裝片。

（2）處理細胞：用膠頭滴管滴取質量濃度為0.3g/mL的蔗糖溶液，在蓋玻片的一側滴加，另一側用吸水紙吸引。觀察細胞是否已經(jīng)發(fā)生質壁分離。

（3）取已經(jīng)發(fā)生質壁分離細胞的臨時裝片，用微量移液器吸取200UL物質量濃度為0.01mol/L的Na₂MoO₄和5x10^-11ATP的混合液，在蓋玻片的一側分次滴加，另一側用吸水紙吸引，用光學顯微鏡觀察細胞變藍的位置和質壁分離自動復原的先后。

6 實驗結果

用0.01mol/L Na₂MoO₄和5x10^-11ATP的混合液處理質壁分離的細胞，若看到質壁分離的細胞的細胞液先被染成藍色。然后，才漸漸看到細胞出現(xiàn)質壁分離自動復原，提示已經(jīng)發(fā)生質壁分離的細胞，由于離子的進入導致細胞滲透壓升高，細胞吸水，質壁分離自動復原。

7 實驗結果分析及實驗討論

7.1 結果分析

鉬酸鈉和ATP的混合液處理洋蔥外表皮細胞觀察顏色及復原規(guī)律。從細胞的顏色變化規(guī)律來看，開始是淺紫色，后逐漸變成深紫色，再變成天藍色，最后成為深藍色。從復原的規(guī)律來看，細胞液先變藍，之后細胞開始漸漸質壁分離復原。并可隱約看出有一些細胞是在細胞壁和原生質層的間隙先變藍，之后才出現(xiàn)細胞液變成藍色，這可能與撕取細胞時細胞液內容物溢出有關。通過重復實驗也發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)藍色以及自動復原的現(xiàn)象并不是普遍存在的，有的細胞能觀察到的，而有的細胞則不能，這可能與細胞個體差異有關。

因為離子跨膜速度很快，因此采用高倍物鏡觀察，可以清楚細致地看到細胞微觀變化，才能得出細胞變化規(guī)律。通過觀察多個細胞的規(guī)律，可發(fā)現(xiàn)在部分細胞變化中確實出現(xiàn)由于離子進入細胞導致滲透壓升高細胞吸水，質壁分離自動復原的現(xiàn)象。

7.2 實驗討論

7.2.1 實驗注意事項

實驗應選取顏色明顯的且具有大液泡的成熟紫色洋蔥表皮細胞，選用的蔗糖溶液濃度不能過高，以免造成細胞失水過多死亡;注意引流動作要領，保證細胞完全均勻地浸入蔗糖溶液或清水中。使用刀片及鑷子等尖銳器具要小心，用后妥善安放。

7.2.2實驗材料的選擇

最常用的實驗材料是紫色洋蔥鱗片葉，紫色大液泡十分明顯，能方便地觀察到質壁分離及復原的過程。所選擇材料都必須是活細胞，因為只有活細胞的原生質層才具有選擇透過性，否則將不會出現(xiàn)質壁分離和復原的現(xiàn)象。

未選擇紫色洋蔥內表皮細胞作材料，實驗效果差，其原因是所選擇的植物細胞，細胞液無顏色，因此無法清楚地觀察質壁分離和復原現(xiàn)象，并不是不會發(fā)生質壁分離和復原。

7.2.3 試劑種類的選擇

使細胞發(fā)生質壁分離的試劑不止蔗糖溶液，其他的對細胞沒有毒害作用的溶液也可以。常用的試劑是質量濃度0.3g/mL的蔗糖溶液，用該濃度的蔗糖溶液做分離試劑時，細胞發(fā)生質壁分離和復原的速度比較緩慢，便于觀察變化過程。

7.2.4試劑濃度的選擇

試劑的濃度影響細胞質壁分離的速度，試劑濃度越高，發(fā)生質壁分離的速度越快，但試劑濃度過高，細胞會過度失水而死亡，無法復原。所用試劑濃度過低，導致質壁分離過慢，影響對實驗結果的觀察。

7.2.5 引流

在顯微鏡載物臺上進行引流換液操作，不要一次滴液太多，以免將細胞沖出。

8 實驗應用在教學中的建議

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》在談到細胞生物學內容教學時，要求讓學生理解物質的統(tǒng)一性，以及細胞中物質變化、能量變化和信息變化三者的統(tǒng)一性。教師在教學中要組織好各種觀察、實驗等探究性學習活動，幫助學生增加感性認識，使學生掌握科學研究的方法并熟練相關的操作技能。新課程還要求生物學的教學要注重與現(xiàn)實生活的聯(lián)系，教師引導學生通過實踐、實驗，親身體驗和觀察生活中的實例，培養(yǎng)學生總結歸納的能力，并且促進學生對相關概念的理解與建構。

本實驗中實驗材料易得，Na₄MoO₄溶液相對安全無毒害，且實驗操作簡單，在短時間內就可觀察實驗現(xiàn)象。因為所用實驗材料及操作與傳統(tǒng)“植物細胞的質壁分離及復原”實驗基本相同，教師可以把兩個實驗合并在一節(jié)實驗課進行，同時觀察植物細胞的吸水失水及離子跨膜運輸引起質壁分離自動復原。這樣既增加了課堂趣味性，也鍛煉了學生的動手動腦能力。