俞天澤 盧君輝

1問題和困惑

幾年前，我曾經(jīng)制作了一個生態(tài)瓶，瓶中放了水生植物和小金魚，每天觀察瓶中生物的變化?？墒?，令我迷惑不解的事發(fā)生了——瓶中的金魚總是喜歡趁我不注意往外跳。放學回到家，我經(jīng)常發(fā)現(xiàn)金魚已經(jīng)躺在桌子上死掉了，這到底是為什么呢？在水里待得好好的，為什么非要自尋死路往外跳呢？究竟是什么刺激了金魚往外跳呢？

我被這個問題困擾了很久，其間也查閱了一些文獻資料。金魚是由鯽魚經(jīng)過人工馴化選育形成的品種，遠在晉朝就有金魚祖先——“赤鱗魚”的文字記載。金魚是我們中國人特別喜愛的觀賞魚種，民間飼養(yǎng)金魚非常普遍，飼養(yǎng)過程中發(fā)生跳缸的現(xiàn)象也困擾著很多養(yǎng)魚愛好者。網(wǎng)上對金魚跳缸的原因眾說紛紜：有的說是因為缺氧，有的說是水質太差，還有的說是金魚受到了驚嚇。那么，到底是什么原因導致金魚跳缸呢？

2實驗機會

2023年暑假，我參加了國家自然博物館“小小研究生”暑期科學探究班。成為正式學員后，我與老師進行了詳細討論，羅列了幾個最有可能導致金魚跳缸的原因：

★水中溶解氧降低；

★有毒代謝廢物（氨氮或亞硝酸鹽）的累積；

★突然的強光刺激；

★突然的聲音振動驚嚇。

我們打算用實驗一個個來驗證、排查。隨后，我們討論了后續(xù)實驗的具體步驟，確定了都需要用到哪些實驗設備和材料，形成了一套大致的研究方案。

3實驗設備和材料

養(yǎng)魚用的大塑料整理箱、壁掛過濾器、增氧泵、40條金魚、檢測水中氨氮和亞硝酸鹽的試劑盒、晾曬過后的清水、燒開后密封冷卻去除溶解氧的清水、氯化銨、亞硝酸鈉和手電筒。

4實驗過程

● 缺氧和驚嚇惹的禍？ ●

首先，我要驗證的一個原因——因缺氧導致金魚急于逃離惡劣環(huán)境而跳缸。我把金魚隨機平均分成了實驗組和對照組。

對照組用增氧泵鼓氣，保證溶解氧充足而穩(wěn)定。

實驗組通過換入燒開后密封冷卻的清水（這樣可以去除水中溶解氧）來快速降低水體中的溶解氧濃度，對比觀察這兩組金魚的表現(xiàn)。

從圖1可以看到，實驗組的溶解氧濃度迅速下降，當出現(xiàn)第一條死亡的金魚時，水中溶解氧濃度已經(jīng)非常低了，其他金魚也都無精打采地趴在魚缸底部。而對照組的溶解氧濃度一直維持在穩(wěn)定的水平，金魚全都活蹦亂跳，活得好好的。然而隨著實驗組因缺氧導致金魚一條條死亡，卻沒有任何一條金魚從缸中跳出來！

看來溶解氧濃度驟降并不會導致金魚跳缸，我懷疑是因為溶解氧濃度降得太快，導致金魚沒有足夠的反應時間產(chǎn)生跳缸行為，就已經(jīng)沒有體力了。

于是我開始了第二階段的實驗：通過調節(jié)增氧泵讓水中溶解氧濃度緩慢下降，給金魚充足的反應時間，看看這次它們會不會跳缸。

通過圖2可以看到，在長達14天的實驗過程中，隨著溶解氧濃度緩慢降低，金魚依舊沒有任何跳缸行為出現(xiàn)！看來缺氧并不是導致金魚跳缸的罪魁禍首。

隨后我又嘗試在白天、黑夜等不同的時間點用手電筒的強光去突然刺激金魚，也嘗試了用手拍打缸壁來驚嚇金魚，但是無論怎么嘗試，金魚依舊沒有任何跳缸的跡象?？磥砣毖酢⒐庹沾碳?、拍打振動都不是導致金魚跳缸的主要因素，那么元兇究竟是什么呢？

● 鎖定兇手●

排除了缺氧、光照刺激、拍打振動三個因素，那么只剩下唯一一個因素——有毒代謝廢物的累積。如果這個因素也被排除，那金魚跳缸之謎就很難解開了。

在與老師的交流中我得知，金魚從進入水中的那一刻開始，水中就不斷發(fā)生著肉眼看不見的神奇化學變化。

金魚吃的食物會形成糞便和尿液排到水中，代謝廢物中含有的蛋白質，在水中微生物的作用下，會被分解成小分子的氨氮，這種東西對魚類是有毒的！然后，氨氮會在硝化細菌的作用下，以極緩慢的速度轉化成亞硝酸鹽，這同樣是一種有毒的物質！隨著金魚越吃越多、越排越多，這兩種有毒物質在水中不斷積累，最終導致魚類死亡。

那么氨氮和亞硝酸鹽這兩種物質是導致金魚跳缸的因素嗎？ 我馬上開始實驗驗證。

我將金魚隨機平均分成實驗組和對照組。

※對照組通過開啟過濾器、換水等方式維持水質清潔干凈；

※實驗組不換水，任由代謝廢物緩慢積累。

這期間我用水質檢測試劑定時測量記錄兩組的氨氮和亞硝酸鹽濃度，進行對比觀察。

實驗進行到第五天時，實驗組的氨氮濃度逐漸升到1.5mg/L，實驗組有4條金魚出現(xiàn)了跳缸現(xiàn)象。而對照組氨氮濃度僅僅升高到1.2 mg/L就不再升高，沒有任何一條金魚跳缸，看來我們離真相越來越近了。實驗繼續(xù)進行，實驗組氨氮濃度一直維持在1.5mg/L的高位，跳缸現(xiàn)象也天天發(fā)生，與之形成鮮明對比的是對照組一直非常平靜，金魚從未發(fā)生跳缸。這整個過程中，兩組亞硝酸鹽的濃度一直處于很低的水平，那么能夠影響金魚的只有一個因素——氨氮濃度！

為了驗證這一結論，也為了防止水中可能有其他不為人知的物質干擾實驗結果，我又進行了一次實驗。這次我在實驗組中人工加入了氯化銨（氨氮的一種形式），使實驗組水中的氨氮濃度瞬間達到1.5mg/L，而對照組的氨氮濃度一直控制在1.0 mg/L以下。神奇的現(xiàn)象再次出現(xiàn)了，此后的四天里，實驗組每天都有4～6條金魚跳缸，而對照組依然風平浪靜。

跳缸謎案終于真相大白：水中的代謝廢物——氨氮積累到約1.5mg/L的濃度時，就會導致金魚跳缸。

5答辯和思考

我的研究圓滿成功，我把我的研究成果撰寫成論文，通過論文答辯，才算正式“畢業(yè)”。答辯會上，有幾位水生生物領域的專家對我的研究進行提問、點評和指導，指出了我實驗中考慮不周的地方，讓我獲益良多。最后，我用我這次的研究成果給所有喜愛飼養(yǎng)金魚或其他觀賞魚的小伙伴們提個醒：為了觀賞魚的健康和生命安全，一定要關注水質情況，用過濾器或者勤換水的方法降低氨氮的濃度，給魚兒營造一個舒適的生活環(huán)境，這樣它們就不會用“跳缸”這種極端方式來回應你啦！

指導教師評語

科學探究有時像極了偵探破案，俞天澤同學的研究過程很好地演繹了這一點：從“金魚總是跳缸”的謎案著手，基于經(jīng)驗、咨詢、查閱資料等“尋找線索”的方法，提煉出幾種最有可能的影響因素作為“嫌疑人”，然后通過實驗一一篩查排除，原來罪魁禍首是金魚的代謝廢物產(chǎn)生的“氨氮”，幕后黑手被揪出，最終真相大白。

這項研究十分難得之處在于，選題來自俞同學飼養(yǎng)金魚時遇到的疑問，可網(wǎng)上五花八門的解答并不能令人信服，他通過親手實驗獲得科學合理的解釋，最終的結果又很好地指導了他的飼養(yǎng)實踐，提高了他的飼養(yǎng)水平。這難道不像人類科學發(fā)展史的一個小小的縮影嗎？