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        “Na2MoO進(jìn)入植物細(xì)胞的方式”探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

        2017-08-20 03:45:36馬小娟
        生物學(xué)教學(xué) 2017年10期
        關(guān)鍵詞:洋蔥表皮運(yùn)輸

        馬小娟

        (北京市第101中學(xué) 100091)

        1 課題研究的背景與意義

        細(xì)胞是個(gè)開放的生命系統(tǒng),時(shí)刻與外界進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)交流。主動(dòng)運(yùn)輸是物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)闹匾绞?,保證了細(xì)胞根據(jù)其生命活動(dòng)的需要,通過耗能主動(dòng)選擇吸收所需要的營養(yǎng)物質(zhì),排出代謝廢物和對(duì)細(xì)胞有害的物質(zhì)。主動(dòng)運(yùn)輸是高中生物學(xué)的重要概念,課堂教學(xué)一般以講授為主,輔以圖片、動(dòng)畫,學(xué)生缺乏對(duì)這一重要概念的感性認(rèn)識(shí)。若能結(jié)合細(xì)胞呼吸的知識(shí)(如控制細(xì)胞的能量供應(yīng)或酶活性等方式),設(shè)計(jì)簡單易行的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生觀察物質(zhì)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象,有助于學(xué)生建構(gòu)主動(dòng)運(yùn)輸這一重要概念。

        鉬(Mo)是植物細(xì)胞必需的微量元素,植物根系從土壤中吸收鉬的主要形態(tài)為MoO42-。目前對(duì)MoO42-進(jìn)入植物細(xì)胞的方式爭論不一,有些研究認(rèn)為植物吸收鉬是被動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^程:如有人發(fā)現(xiàn)植物根系鉬的吸收量與外界溶液濃度呈正比,降低溫度和加入抑制劑對(duì)植物根系吸收鉬幾乎無影響[1]。有些研究支持植物吸收鉬是主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^程。

        Na2MoO4是進(jìn)行植物組織培養(yǎng)時(shí)所用的MS培養(yǎng)基的必需成分,本實(shí)驗(yàn)用Na2MoO4處理紫色洋蔥外表皮細(xì)胞,通過胞外施加低濃度ATP溶液以改變細(xì)胞的能量供應(yīng),比較施加ATP前后Na2MoO4進(jìn)入植物細(xì)胞的速度,為Na2MoO4進(jìn)入植物細(xì)胞與能量相關(guān)提供證據(jù),同時(shí)也為“主動(dòng)運(yùn)輸屬于耗能的過程”提供教學(xué)實(shí)例。

        2 實(shí)驗(yàn)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,堿性環(huán)境中偏藍(lán)色。紫色洋蔥外表皮細(xì)胞的細(xì)胞液pH偏酸性而使液泡呈現(xiàn)紫紅色。Na2MoO4是強(qiáng)堿弱酸鹽(5%的水溶液25℃ pH9~10,無色透明),用0.005 mol/L的Na2MoO4處理紫色洋蔥外表皮細(xì)胞,可在顯微鏡下觀察到液泡顏色由紫紅逐漸變成藍(lán)色[2],由此推知Na+和MoO42-選擇性地進(jìn)入細(xì)胞中,使液泡內(nèi)的pH值升高,呈現(xiàn)堿性,發(fā)生顏色變化。因此,可以洋蔥外表皮細(xì)胞的顏色變化為指標(biāo),觀察Na2MoO4進(jìn)入細(xì)胞的速度。ATP是細(xì)胞能量的直接提供者,為主動(dòng)運(yùn)輸提供能量。

        3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        用Na2MoO4溶液及Na2MoO4與ATP的混合溶液分別處理洋蔥外表皮細(xì)胞,若相同時(shí)間內(nèi),添加ATP的Na2MoO4溶液處理后的細(xì)胞變色比例高,則說明Na2MoO4進(jìn)入植物細(xì)胞是能量依賴式的,提示Na2MoO4可能以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞竭^膜。

        4 實(shí)驗(yàn)材料及用具

        紫色洋蔥鱗片葉,清水,刀片,鑷子,微量移液器,載玻片,蓋玻片,吸水紙,光學(xué)顯微鏡;濃度為0.005 mol/L的Na2MoO4溶液(A液),Na2MoO4與ATP-2Na(ATP在藥品中以ATP-2Na鹽的形式存在)的等比例混合溶液(B液),B液中Na2MoO4濃度為0.005 mol/L,ATP-2Na的濃度梯度見表1。

        5 實(shí)驗(yàn)過程

        (1)制作洋蔥鱗片葉外表皮的臨時(shí)裝片。

        (2)對(duì)照組處理:用微量移液器吸取200 μL 0.005 mol/L的Na2MoO4溶液(A液),在蓋玻片的一側(cè)分次滴加,另一側(cè)用吸水紙吸引。數(shù)碼顯微鏡拍照記錄未處理裝片及A液處理5 min后的裝片。

        (3)實(shí)驗(yàn)組處理:另取一張外表皮臨時(shí)裝片,用微量移液器吸取400 μL的B1液(0.01 mol/L的Na2MoO4與10 mmol/L ATP-2Na溶液等比例混合,混合液中Na2MoO4濃度為0.005 mol/L,ATP-2Na濃度為5 mmol/L),在蓋玻片的一側(cè)分次滴加,另一側(cè)用吸水紙吸引。數(shù)碼顯微鏡拍照記錄未處理裝片及B1液處理5min后的裝片。

        (4)用B2液~B8液分別按照第3步操作處理洋蔥外表皮細(xì)胞,數(shù)碼顯微鏡拍照。

        (5)濃度分別為5,0.5,5×10-7,5×10-8,5×10-9,5×10-10,5×10-11,5×10-12mmol/L的ATP-2Na單獨(dú)處理洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞,操作步驟同第(2)步,數(shù)碼顯微鏡拍照。

        表1 Na2MoO4與ATP-2Na的濃度

        6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        Na2MoO4+ATP-2Na混合溶液處理植物細(xì)胞后,ATP-2Na的濃度在5×10-9~5×10-12mmol/L范圍內(nèi),與對(duì)照組比較,相同處理時(shí)間內(nèi)變色細(xì)胞比例增加。其中ATP-2Na的濃度為5×10-11mmol/L時(shí)變色細(xì)胞比例明顯比對(duì)照組多。對(duì)照組結(jié)果:0.005 mol/L的Na2MoO4溶液單獨(dú)處理5 min后細(xì)胞顏色變化及比例(封底圖1、2)。

        ATP-2Na溶液單獨(dú)處理洋蔥外表皮細(xì)胞,顏色沒有變化(封底圖3、4)。

        實(shí)驗(yàn)組結(jié)果:0.005 mol/L Na2MoO4+5×10-11mmol/L ATP-2Na混合溶液處理5 min之后細(xì)胞顏色變化及比例(封底圖5、6)。

        7 結(jié)果分析

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,ATP本身對(duì)細(xì)胞顏色變化沒有影響,Na2MoO4在有低濃度ATP(5×10-9~5×10-12mmol/L)存在的情況下,能夠更快地進(jìn)入細(xì)胞使液泡中花青素的顏色發(fā)生改變,說明Na+和MoO42-進(jìn)入細(xì)胞是與ATP相關(guān)的過程,提示它們可能以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞竭^膜。

        8 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在教學(xué)中的建議

        8.1 本實(shí)驗(yàn)適宜在中學(xué)開展 本實(shí)驗(yàn)材料易得,Na2MoO4和ATP-2Na溶液安全無毒害作用;實(shí)驗(yàn)操作簡單,僅需顯微鏡即可進(jìn)行,且5 min就可觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因?yàn)樗脤?shí)驗(yàn)材料及操作與“植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離及復(fù)原”實(shí)驗(yàn)基本相同,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以合并在一節(jié)實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行,同時(shí)觀察植物細(xì)胞的吸水失水及離子過膜,適合在中學(xué)課堂教學(xué)中展開。

        8.2 本實(shí)驗(yàn)具備進(jìn)行科學(xué)探究的完整過程 從觀察現(xiàn)象(Na2MoO4使洋蔥外表皮細(xì)胞變藍(lán))→提出問題(離子以什么方式過膜)→做出假設(shè)(Na+和MoO42-以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞竭^膜)→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→實(shí)驗(yàn)過程→實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論→新的問題,可以讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)完整的科學(xué)探究過程,建議在課余時(shí)間或選修課展開。教師可以指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立摸索Na2MoO4及ATP-2Na溶液的適宜處理濃度;也可以在定性比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果后,指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的變色細(xì)胞進(jìn)行記數(shù),統(tǒng)計(jì)變色細(xì)胞的比例,對(duì)該探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量的分析。在處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí),還會(huì)出現(xiàn)意料之外的結(jié)果。例如,本實(shí)驗(yàn)中用0.005 mol/L Na2MoO4與5 mmol/L ATP-2Na混合溶液處理后的細(xì)胞,不僅沒有提高Na2MoO4過膜的速度,與對(duì)照組相比,變色細(xì)胞的比例降低。對(duì)于意料之外的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析,能夠提高學(xué)生獨(dú)立思考的能力。

        通過該探究實(shí)驗(yàn),學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、提出問題、做出假設(shè),根據(jù)已有的知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,并展開一系列實(shí)驗(yàn),既能感受科學(xué)研究的完整過程,也能體驗(yàn)摸索實(shí)驗(yàn)條件的艱難、理論與實(shí)踐的差距和成功的喜悅,同時(shí)這個(gè)過程也培養(yǎng)了學(xué)生理性思維、科學(xué)探究的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

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