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)胞是個開放的生命系統(tǒng)，時刻與外界進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)交流。主動運(yùn)輸是物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)闹匾绞?，保證了細(xì)胞根據(jù)其生命活動的需要，通過耗能主動選擇吸收所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，排出代謝廢物和對細(xì)胞有害的物質(zhì)。主動運(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、動畫，學(xué)生缺乏對這一重要概念的感性認(rèn)識。若能結(jié)合細(xì)胞呼吸的知識(如控制細(xì)胞的能量供應(yīng)或酶活性等方式)，設(shè)計簡單易行的實驗，讓學(xué)生觀察物質(zhì)主動運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象，有助于學(xué)生建構(gòu)主動運(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運(yùn)輸?shù)倪^程。

Na2MoO4是進(jìn)行植物組織培養(yǎng)時所用的MS培養(yǎng)基的必需成分，本實驗用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)，同時也為“主動運(yùn)輸屬于耗能的過程”提供教學(xué)實例。

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，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，為主動運(yùn)輸提供能量。

3 實驗方案設(shè)計

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可能以主動運(yùn)輸?shù)姆绞竭^膜。

4 實驗材料及用具

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 實驗過程

(1)制作洋蔥鱗片葉外表皮的臨時裝片。

(2)對照組處理：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)實驗組處理：另取一張外表皮臨時裝片，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 實驗結(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)，與對照組比較，相同處理時間內(nèi)變色細(xì)胞比例增加。其中ATP-2Na的濃度為5×10-11mmol/L時變色細(xì)胞比例明顯比對照組多。對照組結(jié)果：0.005 mol/L的Na2MoO4溶液單獨處理5 min后細(xì)胞顏色變化及比例(封底圖1、2)。

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

實驗組結(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

實驗結(jié)果說明，ATP本身對細(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運(yùn)輸?shù)姆绞竭^膜。

8 實驗應(yīng)用在教學(xué)中的建議

8.1 本實驗適宜在中學(xué)開展 本實驗材料易得，Na2MoO4和ATP-2Na溶液安全無毒害作用；實驗操作簡單，僅需顯微鏡即可進(jìn)行，且5 min就可觀察實驗現(xiàn)象。因為所用實驗材料及操作與“植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離及復(fù)原”實驗基本相同，兩個實驗可以合并在一節(jié)實驗課進(jìn)行，同時觀察植物細(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 本實驗具備進(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-以主動運(yùn)輸?shù)姆绞竭^膜)→設(shè)計實驗→實驗過程→實驗結(jié)果及結(jié)論→新的問題，可以讓學(xué)生經(jīng)歷一個完整的科學(xué)探究過程，建議在課余時間或選修課展開。教師可以指導(dǎo)學(xué)生獨立摸索Na2MoO4及ATP-2Na溶液的適宜處理濃度；也可以在定性比較實驗結(jié)果后，指導(dǎo)學(xué)生對實驗組、對照組的變色細(xì)胞進(jìn)行記數(shù)，統(tǒng)計變色細(xì)胞的比例，對該探究實驗進(jìn)行定量的分析。在處理實驗結(jié)果時，還會出現(xiàn)意料之外的結(jié)果。例如，本實驗中用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，與對照組相比，變色細(xì)胞的比例降低。對于意料之外的實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，能夠提高學(xué)生獨立思考的能力。

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