“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動”實驗的分析和拓展

羅福海 張文娟 程 虹 趙 浩 徐亞茹

（高臺縣第一中學(xué) 甘肅高臺 734300）

“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動”是人教版高中生物學(xué)必修1 新教材中的重要實驗之一。此實驗在人教版2004年版生物學(xué)教材中是沒有的，此前教材中實驗為“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”，新加入的實驗對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要作用。通過實驗觀察讓學(xué)生意識到細(xì)胞質(zhì)的流動是一種生命現(xiàn)象；通過觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)流動，提高學(xué)生科學(xué)探究的實踐能力。

細(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞代謝的主要部位，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)并不是靜止的，而是持續(xù)地在細(xì)胞內(nèi)順著環(huán)形路線流動，這是觀察細(xì)胞質(zhì)流動實驗的理論基礎(chǔ)。葉綠體是植物光合作用的重要細(xì)胞器，由于其存在于細(xì)胞質(zhì)中，因此，觀察細(xì)胞質(zhì)流動的同時還可觀察到葉綠體［1］。盡管實驗易于操作，但在教學(xué)及實際實驗過程，學(xué)生還存在很多疑惑，筆者結(jié)合實驗情況對本實驗進行了一定的分析和拓展，以期為學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)提供參考。

1 實驗?zāi)康囊螅?］

觀察葉綠體的形態(tài)、數(shù)量和分布特點；觀察細(xì)胞質(zhì)的流動情況。

2 實驗材料器具［1］

新鮮的黑藻（或蘚類的小葉），顯微鏡、載玻片、蓋玻片、滴管、鑷子、刀片、培養(yǎng)皿、臺燈等。

3 實驗流程［1］

1）將黑藻置于25℃左右的水中，以較強的光線照射30 min 以上。

2）向載玻片中央滴一滴清水，用鑷子取一片幼嫩的黑藻葉片，放在清水中展平，蓋上蓋玻片，制成臨時裝片。在實驗過程中，臨時裝片要始終保持有水狀態(tài)。

3）先在低倍鏡下找到細(xì)胞，然后用高倍鏡觀察葉綠體的形態(tài)、數(shù)量和分布特點。

4）以葉綠體作為標(biāo)志物，觀察細(xì)胞質(zhì)流動的速度和方向。

4 實驗分析

1）葉綠體的形態(tài)和分布是怎樣的？ 高倍顯微鏡下觀察到的葉綠體為綠色、橢球形或球形，沿黑藻細(xì)胞邊緣分布，如圖1所示，綠色植物的葉綠體無需染色即可觀察到。

圖1 顯微鏡下葉綠體的形態(tài)及分布［1］

2）選用黑藻的幼嫩葉片作為觀察材料有什么好處？ 黑藻葉片薄，細(xì)胞內(nèi)葉綠體多且體積大。在細(xì)胞質(zhì)流動過程中，伴隨著葉綠體的運動，因此，很容易在顯微鏡下被觀察到。

3）觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動2 個實驗是否沖突？活細(xì)胞中的細(xì)胞質(zhì)處于不斷流動的狀態(tài)。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是無色透明的，不容易直接觀察其是否流動。葉綠體是綠色植物葉肉細(xì)胞中的一種常見結(jié)構(gòu)，呈綠色，散布于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中。選擇葉綠體作為標(biāo)志物，可觀察植物細(xì)胞中細(xì)胞質(zhì)的流動。因此，2 個實驗是相輔相成的，如果合理地選擇了實驗材料，則可將2 個實驗結(jié)合起來同時完成［2］。

4）是否大多數(shù)植物細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)不流動，只有黑藻等少數(shù)植物的細(xì)胞質(zhì)才流動？ 細(xì)胞質(zhì)流動又稱胞質(zhì)運動，是指在活細(xì)胞中，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)處于不斷的運動狀態(tài)，能帶動其中的細(xì)胞器在細(xì)胞內(nèi)作有規(guī)則的持續(xù)的流動。因此，只要是活細(xì)胞都有細(xì)胞質(zhì)流動的現(xiàn)象，例如，植物的根尖等，只是由于黑藻等植物材料便于觀察。

5）在強光照射下，葉綠體的向光面有何變化？葉綠體的形態(tài)和分布有利于接受光照，進行光合作用。呈橢球形的葉綠體大多在不同光照條件下會改變方向。在弱光下，葉綠體以其橢球體的正面朝向光源；在強光下，葉綠體以其橢球體的側(cè)面朝向光源。這使得葉綠體在弱光下能接受較多的光照，在強光下能避免葉綠體被灼傷。同時，植物在光照強度不斷減弱的情況下，會通過增加葉綠素含量以增加對光的吸收，從而增強對弱光的適應(yīng)性。

6）若視野中某細(xì)胞中細(xì)胞質(zhì)的流動方向為順時針，則在裝片中該細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)的實際流動方向是怎樣的？答案是仍為順時針。根據(jù)顯微鏡的成像原理可判斷實際物與視野中像呈水平旋轉(zhuǎn)180°結(jié)果，故視野中觀察到為順時針，則在裝片中實際流動方向仍為順時針。

7）細(xì)胞質(zhì)的流動有什么意義？ 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的流動，促進了細(xì)胞與周圍環(huán)境及細(xì)胞內(nèi)部各部分之間的物質(zhì)交換和信息傳遞，有利于細(xì)胞內(nèi)代謝反應(yīng)有條不紊地進行。

5 實驗拓展

1）除黑藻葉細(xì)胞外，還有哪些植物材料適合觀察細(xì)胞質(zhì)流動？ 通過反復(fù)實驗并且進行對比后發(fā)現(xiàn)，用新鮮濃綠的大白菜、菠菜等幼苗嫩葉作為材料，實驗也可取得較好的效果，且這些材料具有取材容易的特點。在取用菠菜葉進行實驗時，由于表皮細(xì)胞除保衛(wèi)細(xì)胞外，一般不含葉綠體，而葉肉細(xì)胞含較多的葉綠體，故要取略帶些葉肉的下表皮［3］。

2）動物細(xì)胞是否有細(xì)胞質(zhì)流動？ 若有如何觀察？ 依據(jù)之前分析，只要是活細(xì)胞，細(xì)胞質(zhì)都應(yīng)是流動的。對人口腔上皮細(xì)胞進行實驗，觀察發(fā)現(xiàn)確實存在細(xì)胞質(zhì)的流動，說明動物細(xì)胞也存在細(xì)胞質(zhì)流動，細(xì)胞質(zhì)流動不是綠色植物細(xì)胞特有的。用人口腔上皮細(xì)胞進行實驗觀察時需要用線粒體（健那綠染色）做細(xì)胞質(zhì)流動的標(biāo)志。葉綠體不是觀察細(xì)胞質(zhì)流動的唯一標(biāo)志。

3）同一葉片中所有細(xì)胞中的葉綠體的運動方向都為順向？還是都為逆向？還是既有順向又有逆向？通過觀察發(fā)現(xiàn)，相鄰3 個細(xì)胞的葉綠體運動方向具有不同形式：都是逆向、都是順向、2 個逆向1 順向、或2 個順向1 個逆向（圖2）。

圖2 葉綠體的運動方向

3）在做實驗過程中，有的葉正面朝上，有的葉背面朝上，針對黑藻同一個葉片的同一個細(xì)胞，其葉綠體的運動方向?qū)⑷绾危拷Y(jié)果表明，如果正放是逆向運動，反放則是順向運動（圖3），直至細(xì)胞逐漸死亡，胞質(zhì)運動停止，反之亦然。

圖3 不同放置黑藻同一細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)流動

4）哪些因素可能影響細(xì)胞質(zhì)流動的速度和方向？如何設(shè)計實驗進行驗證？細(xì)胞質(zhì)流動速率可作為植物細(xì)胞活性狀態(tài)的一種特征性參數(shù),凡能影響細(xì)胞活性的因素,均可影響細(xì)胞質(zhì)流動［4］。溫度、光照強度、pH 值、生長素環(huán)境脅迫等均會影響細(xì)胞質(zhì)流動。故本實驗設(shè)置容易獲取、易于操作的溫度、光照強度、能量的改變3 個方面進行實驗。

①溫度?？赏ㄟ^水浴加熱或直接加熱的方式進行不同溫度處理。實驗設(shè)計如表1，分別在對應(yīng)溫度下處理10 min 后，按實驗流程進行觀察。由于本實驗無需嚴(yán)格定量觀察，因此為比較實驗結(jié)果，可讓多組同時進行操作，觀察不同處理下的黑藻葉片。通過觀察發(fā)現(xiàn)，第3 組細(xì)胞質(zhì)流動的速度最快，但運動方向不受影響，與放置有關(guān)。實驗結(jié)果表明，溫度會影響細(xì)胞質(zhì)流動的速度，隨著溫度升高，細(xì)胞質(zhì)流動的速度加快，但溫度超過一定的范圍后，細(xì)胞質(zhì)流動的速度又會減慢，推測原因是細(xì)胞質(zhì)流動的動力來源于呼吸作用，而溫度過低和過高都會抑制呼吸作用有關(guān)酶的活性，從而影響能量供應(yīng)。

表1 溫度對細(xì)胞質(zhì)流動的影響

②光照強度?？赏ㄟ^不同功率的燈泡進行不同光照強度的處理。與設(shè)計具體的光照強度進行實驗相比，本實驗簡單、易操作，可行性強，且能達(dá)到預(yù)期實驗效果，具有一定的優(yōu)點。具體實驗設(shè)計如表2，分別在對應(yīng)燈泡下處理10 min 后，按實驗流程進行觀察。本探究實驗也可讓多組同時進行操作，觀察不同處理下的黑藻葉片。通過觀察發(fā)現(xiàn)，第3 組黑藻細(xì)胞質(zhì)流動的速度最快，但方向不受影響，與放置有關(guān)。實驗結(jié)果表明，光照強度會影響細(xì)胞質(zhì)流動的速度，一定范圍內(nèi)隨著光照強度的增加，細(xì)胞質(zhì)流動的速度加快，光照強度過高會抑制細(xì)胞質(zhì)流動的速度。

表2 光照強度對細(xì)胞質(zhì)流動的影響

③能量。由于細(xì)胞質(zhì)流動需要消耗細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的ATP，可通過添加適宜濃度葡萄糖溶液供應(yīng)細(xì)胞呼吸產(chǎn)生ATP，或通過2% H2O2溶液抑制細(xì)胞呼吸的方法進行對照實驗［5］，故設(shè)置清水組、0.5%葡萄糖溶液組及2% H2O2溶液組進行處理。實驗設(shè)計如表3，分別在對應(yīng)等量溶液下處理10 min 后，按實驗流程進行觀察。通過觀察發(fā)現(xiàn)，第2 組黑藻細(xì)胞質(zhì)流動的速度最快，但方向不受影響。實驗結(jié)果表明，一定濃度的葡萄糖供應(yīng)可促進細(xì)胞質(zhì)流動的速度，而2% H2O2溶液處理的黑藻細(xì)胞葉綠體顏色和運動速度都會發(fā)生變化，使細(xì)胞質(zhì)流動的速度變慢，表明能量的正常供應(yīng)是細(xì)胞質(zhì)流動所必需的。

表3 能量改變對細(xì)胞質(zhì)流動的影響

溫度、光照強度、能量的改變都能通過影響細(xì)胞的生理活性進而影響細(xì)胞質(zhì)的流動。以上3 個實驗所需條件、材料及試劑都是常用的，所有學(xué)校都可開展相關(guān)拓展實驗。此實驗的拓展設(shè)計目的也是讓學(xué)生都可參與、體驗觀察細(xì)胞質(zhì)的流動，此舉能極大提升實驗可操作性，也能幫助學(xué)生理解溫度、光照強度和能量的改變對植物細(xì)胞生命活動的重要影響。