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        “探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與探索*

        2020-04-15 09:36:24趙沛榮張志祥
        生物學(xué)通報(bào) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:曲線圖果蠅酵母菌

        趙沛榮 張志祥

        (1 寧波市鄞州中學(xué) 浙江寧波 315105 2 寧波市惠貞書院 浙江寧波 315016)

        實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)課程的特點(diǎn),也是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一,是促進(jìn)學(xué)生達(dá)成生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要支撐[1]?!镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 版)》提出:學(xué)校要加強(qiáng)和完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),盡可能創(chuàng)造條件,提高實(shí)驗(yàn)的開出率;教師要盡可能多組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí),提供更多的機(jī)會(huì)讓學(xué)生親自參與和實(shí)踐[2]?,F(xiàn)行浙科版教材必修3 第4 章中設(shè)置了“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”實(shí)驗(yàn),旨在讓學(xué)生通過對(duì)酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化觀察與統(tǒng)計(jì),依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型,從而探究種群的增長(zhǎng)方式。然而由于存在實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、計(jì)數(shù)操作難度大、硬件設(shè)施要求高等問題,導(dǎo)致該實(shí)驗(yàn)在高中各校開出率很不理想[3-4]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),一些學(xué)校甚至沒有開設(shè)該實(shí)驗(yàn),僅靠教師紙上談兵式的講解?;诖?,筆者在參與新教材這一實(shí)驗(yàn)的編寫過程中,更換了實(shí)驗(yàn)材料和用具,改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)“探究種群的增長(zhǎng)方式”實(shí)驗(yàn)的可行性和實(shí)效性進(jìn)行了探索。

        1 實(shí)驗(yàn)的可行性和實(shí)效性分析

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料的有效替代 酵母菌繁殖速度較快,是研究種群增長(zhǎng)的良好材料,但因其體積微小,肉眼無法識(shí)別,導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)酵母菌數(shù)量時(shí)必須借助顯微鏡和血細(xì)胞計(jì)數(shù)板進(jìn)行微觀計(jì)數(shù)。而且,在顯微計(jì)數(shù)時(shí),酵母菌的死體和活體難以區(qū)分,雖通過染色可解決此問題,但是染色更會(huì)帶來模糊不清、計(jì)數(shù)困難的新問題。

        果蠅,雙翅目昆蟲,體形小、繁殖快,是日常生活中較為常見的一種動(dòng)物。在成熟發(fā)酵的水果,例如葡萄、香蕉、楊梅上均可發(fā)現(xiàn)果蠅,故其采集較為方便,培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單,且可直接肉眼宏觀計(jì)數(shù),死體和活體區(qū)分明顯[5]。

        1.2 實(shí)驗(yàn)用具的有效更換 酵母菌計(jì)數(shù)最大難度在于正確使用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板。學(xué)生對(duì)樣品稀釋程度不準(zhǔn)確、加樣不合理、計(jì)數(shù)不科學(xué)等均會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大影響,這也是該實(shí)驗(yàn)開展率不高的重要原因之一。酵母菌體積微小,用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板進(jìn)行顯微計(jì)數(shù)也常計(jì)數(shù)不清,導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差。用比濁計(jì)測(cè)定雖簡(jiǎn)便快捷,但需要設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)照組進(jìn)行測(cè)量數(shù)值的校正,且容易受到細(xì)胞大小、形態(tài)、培養(yǎng)液成分等因素的影響。而采用果蠅為實(shí)驗(yàn)材料時(shí)則用具較為簡(jiǎn)單,僅需用麻醉瓶將果蠅麻醉后倒在白紙上,用毛筆進(jìn)行計(jì)數(shù)即可。酵母菌實(shí)驗(yàn)涉及微生物的培養(yǎng)相關(guān)內(nèi)容,接種、取樣在超凈工作臺(tái)上進(jìn)行,且需無菌培養(yǎng)。果蠅可在普通實(shí)驗(yàn)室或教室環(huán)境下飼養(yǎng),對(duì)實(shí)驗(yàn)用具、培養(yǎng)環(huán)境等無菌條件的要求相對(duì)較低。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法的有效改進(jìn) 用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)和用比濁計(jì)測(cè)定渾濁度是現(xiàn)行浙科版教材中該實(shí)驗(yàn)重要的方法步驟,學(xué)生需在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)如何操作。因?qū)嶒?yàn)操作難度較大,學(xué)生掌握這2項(xiàng)技術(shù)需要較長(zhǎng)時(shí)間。計(jì)數(shù)測(cè)定為0 d、1 d、4 d、7 d 取樣,共測(cè)4 次,渾濁度測(cè)定在2 周內(nèi)每天進(jìn)行。酵母菌增殖速度較快,在培養(yǎng)后期進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)需要適度稀釋;為區(qū)分酵母菌是否死亡,也需要對(duì)酵母菌進(jìn)行染色觀察等,均要花費(fèi)更多時(shí)間。據(jù)調(diào)查,該實(shí)驗(yàn)中本校學(xué)生每次計(jì)數(shù)和測(cè)定渾濁度需要花費(fèi)1 節(jié)課時(shí)間(測(cè)定小組以2 人為單位)。改用果蠅作為實(shí)驗(yàn)材料,可直接進(jìn)行活體統(tǒng)計(jì),方便快捷,單人即可完成。雖計(jì)數(shù)次數(shù)增加至21 次,但實(shí)驗(yàn)難度和總用時(shí)在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。計(jì)數(shù)結(jié)束后將麻醉的果蠅全部放回培養(yǎng)瓶中,還可避免抽樣的部分個(gè)體不能放回原培養(yǎng)瓶造成的誤差。

        2 實(shí)驗(yàn)材料與用具

        果蠅、香蕉、500 mL 廣口瓶、紗布、橡皮筋、毛筆、乙醚、棉花團(tuán)、放大鏡、白紙、恒溫培養(yǎng)箱、培養(yǎng)皿等。

        3 實(shí)驗(yàn)過程

        3.1 果蠅培養(yǎng)瓶的制備 取500 mL 廣口瓶3個(gè),在瓶底部鋪一層厚約2 cm 的棉花。在每個(gè)廣口瓶中分別放入大小相等且熟透的半根香蕉。棉花既可吸收香蕉腐爛的汁液,又為果蠅結(jié)蛹提供場(chǎng)所,故棉花不宜過薄,以免香蕉汁液沒過棉花,影響蛹后果蠅的羽化。

        3.2 果蠅采集與鑒別 從學(xué)校附近水果店誘捕多只果蠅,放置于溫度適宜的環(huán)境中飼養(yǎng)。培養(yǎng)一段時(shí)間后,可見瓶?jī)?nèi)有果蠅蟲繭存在,移除親本成蟲果蠅。待果蠅蟲繭羽化后及時(shí)移出未交尾成蟲。用乙醚麻醉[6],依據(jù)雌、雄果蠅個(gè)體特征差異(腹部、背部和生殖器區(qū)別),用放大鏡鑒別選擇6 只雌蠅和6 只雄蠅。

        3.3 分組編號(hào)與接種 將制備好的500 mL 廣口瓶編號(hào)1、2 和3,貼上標(biāo)簽。乙醚麻醉果蠅后,放大鏡選擇雌、雄果蠅放入3 個(gè)培養(yǎng)瓶(每瓶2 只雌蠅和2 只雄蠅),用2 層紗布蓋好,皮筋扎緊。

        3.4 果蠅培養(yǎng)與計(jì)數(shù) 將3 個(gè)培養(yǎng)瓶置于溫度適宜的環(huán)境中。每天觀察、記錄培養(yǎng)瓶中果蠅個(gè)體數(shù),持續(xù)21 d(圖1),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄表格(表1),并將每天測(cè)量數(shù)據(jù)填入。當(dāng)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的果蠅數(shù)量不易直接觀察計(jì)數(shù)時(shí),另取一潔凈廣口瓶作為果蠅的麻醉瓶,放入滴有1~2 滴乙醚的棉花團(tuán),并將其與培養(yǎng)瓶的瓶口對(duì)接,輕拍培養(yǎng)瓶把果蠅趕入麻醉瓶(圖2)。待果蠅麻醉后,倒在白紙上用毛筆進(jìn)行計(jì)數(shù)(圖3),計(jì)數(shù)結(jié)束再將昏迷果蠅放回原培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)。

        圖1 培養(yǎng)瓶中的果蠅

        表1 探究果蠅種群的增長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

        圖2 將果蠅趕入麻醉瓶

        圖3 用毛筆進(jìn)行果蠅計(jì)數(shù)

        3.5 種群增長(zhǎng)曲線的繪制 處理果蠅種群的增長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析和科學(xué)繪圖相關(guān)知識(shí)[7]。采用original 軟件繪制曲線圖,具體操作流程包括:輸入種群基本數(shù)據(jù)、設(shè)置坐標(biāo)標(biāo)題和單位、選擇繪圖變量、設(shè)置坐標(biāo)分度、設(shè)置輸出參數(shù)和導(dǎo)出圖像。

        以時(shí)間為橫坐標(biāo),種群個(gè)體數(shù)為縱坐標(biāo)的曲線圖(圖4)顯示一定培養(yǎng)條件下果蠅種群數(shù)量動(dòng)態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型。將3 個(gè)培養(yǎng)瓶達(dá)到最大值之前的果蠅種群數(shù)量取平均值后進(jìn)行統(tǒng)計(jì),選擇適當(dāng)?shù)那€類型擬合觀測(cè)數(shù)據(jù),并用擬合的曲線方程分析培養(yǎng)天數(shù)和種群數(shù)量間的關(guān)系,得到以下函數(shù)解析式:g(x)=540/(1+e13-x)。其中,x代表果蠅培養(yǎng)天數(shù);e 為自然常數(shù),其值約為2.71828。結(jié)果顯示此增長(zhǎng)函數(shù)滿足邏輯斯諦方程,圖像呈“S”形,說明本實(shí)驗(yàn)中果蠅種群的增長(zhǎng)符合邏輯斯諦增長(zhǎng)方式。

        圖4 果蠅種群數(shù)量變化曲線圖

        為了解果蠅種群增長(zhǎng)特點(diǎn),教師引導(dǎo)學(xué)生繪制種群增長(zhǎng)速率和增長(zhǎng)率的曲線圖(圖5、圖6),利用模型幫助學(xué)生進(jìn)一步理解種群數(shù)量增長(zhǎng)的 “S”形曲線,環(huán)境容納量K值、出生率和死亡率等生物學(xué)概念。

        圖5 果蠅種群增長(zhǎng)速率曲線圖

        圖6 果蠅種群增長(zhǎng)率曲線圖

        3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析 學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并查閱資料后討論得出:1)實(shí)驗(yàn)初期條件適宜,食物充足,但果蠅親本從交配、產(chǎn)卵到幼蟲孵化、發(fā)育和結(jié)蛹,再羽化為子代成蟲,需要10~12 d,所以前9 d 培養(yǎng)瓶中的果蠅數(shù)量一直為4 只。2)果蠅交配后約4~5 d,成蟲產(chǎn)卵量達(dá)到最大,即在約13 d 會(huì)出現(xiàn)子代果蠅種群的最大增長(zhǎng)量。3)隨后,果蠅個(gè)體在有限的空間、食物和其他生活條件下種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)加劇,使種群的死亡率增大,但種群數(shù)量依然上升,第17 天時(shí)種群數(shù)量達(dá)到K值。4)第17 天后環(huán)境惡化(主要有空間有限、食物消耗和霉菌感染等),果蠅種群死亡率不斷增大,種群數(shù)量開始下降。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本實(shí)驗(yàn)以果蠅為實(shí)驗(yàn)材料,采用宏觀計(jì)數(shù)方法,讓學(xué)生對(duì)“種群數(shù)量動(dòng)態(tài)變化”有了更為直觀的認(rèn)識(shí)和理解。利用實(shí)驗(yàn)課得到的數(shù)學(xué)模型,在接下來學(xué)習(xí)“不同條件下種群的增長(zhǎng)方式不同”新課內(nèi)容時(shí),引導(dǎo)學(xué)生分析果蠅種群數(shù)量增長(zhǎng)曲線的特點(diǎn)及其形成的原因,能順利達(dá)成重要概念構(gòu)建和素養(yǎng)提升。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過改進(jìn)后,極大降低了種群計(jì)數(shù)的難度,提高了實(shí)驗(yàn)的開出率和效果。更換實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)用具、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法,也能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

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