鱼鳞片表面微观拓扑结构的测量与分析

汪 静,李 博,曲 冰,迟建卫,周笑辉

(大连海洋大学理学院,辽宁大连116023)

鱼鳞片表面微观拓扑结构的测量与分析

汪 静,李 博,曲 冰,迟建卫,周笑辉

(大连海洋大学理学院,辽宁大连116023)

利用移测显微镜观测了鱼鳞片表面的微观结构,对比分析了大黄鱼和鲈鱼鱼鳞片不同区域的鳞嵴间距.将鱼鳞片表面微观拓扑结构的测量这一具有水产院校特色的研究性实验项目引入本科大学物理实验教学,使学生在学习中体会到将所学物理实验技术应用于海洋科学研究中的乐趣,有助于提高学生分析问题、解决问题的能力.

鱼鳞片;移测显微镜;表面微观拓扑结构

1 引 言

天然生物材料中存在着许多巧妙的结构与原理,显示出极为精良的特性.鱼类的皮肤表面存在着结构不同的鳞片,鳞片对于鱼类体表的防污与减阻有着极为重要的作用.鱼类由于生长环境和种类的差异,鳞片的表面微观拓扑结构上也会产生差异.根据鳞片表面微观拓扑结构可以鉴别出鱼的种类和年龄.鱼类的鳞片主要分为侧线上鳞、侧线下鳞和侧线鳞3部分,其结构直接反映出鱼类的分类特征和生长特征,是研究鱼类分类、生存环境和生长趋势的重要组成内容[1].鳞沟条数的变化与鱼类的生长年龄成正比,增加的鳞沟以年轮线为界限发出,不同鱼类鳞沟的年增加数量有所不同,同种鱼类由于生长环境(如水温和食物)的不同也有差异[2].鳞片的数目和形态特征是目前鱼类分类的主要特征之一,也是鱼类年龄鉴定和生长状态分析的重要依据.近年来,由于资源开发力度的不断提高,鱼群动态和渔业资源的可持续利用日益引起人们的关注.鱼类的年龄是研究鱼群动态和评估渔业资源的前提条件,在渔业生产上具有重要意义[3].

本文设计了通过使用移测显微镜测量鱼鳞片表面微观拓扑结构的研究性实验项目,将大学物理实验中学习到的基本知识应用到生物研究,不仅激发了学生学习积极性,提高学生分析问题、解决问题的能力,而且对鉴别鱼的种类和年龄,以及对防污减阻的仿生设计具有一定的意义.

2 实验原理

鱼类的皮肤外面包围着不同的鳞片,这些鳞片是依靠身体组织中的钙质渐次沉积于真皮中形成的,鱼鳞片起到了保护皮肤的作用.依据鳞片的外形、构造和发生的特点,可以把鱼类的鳞片归纳为3种基本类型,即盾鳞、硬鳞和骨鳞.骨鳞发生于真皮.绝大多数真骨鱼的鳞都属这种类型,多为片状.骨鳞从外形上可以分为4个区,埋在真皮层内且被前部鳞片掩盖住的部分称为前区,也称基区;未被其他鳞片覆盖且外表可见到的部位称为后区,也称顶区;前、后区间的上、下两侧为侧区.在鳞表面看到的一圈圈近似为同心圆状排列的具有年轮特征的隆起线,称为鳞嵴,或称环片,环片围绕的中心区称为鳞焦.由鳞焦向周边辐射开去的沟纹称辐射沟,也称鳞沟.鳞沟多分布于鳞片的前区,有减少骨质层坚硬度、增加鳞片韧性的作用.图1所示为用光学显微镜(OL YMPUS IX51)拍摄到的大黄鱼(俗称黄花鱼)和鲈鱼的鳞片的显微镜照片.由于鳞片表面的鳞嵴呈近似为同心圆状排列,所以可以按照大学物理实验中的牛顿环测量方法,测量鱼鳞片一圈圈同心圆状排列的鳞嵴间距.

图1 大黄鱼和鲈鱼鱼鳞片的显微镜照片

3 实验方法

本试验使用的JCD3型移测显微镜测量鳞片由中心部位的鳞焦向外的不同部位鳞嵴之间的距离.由于鳞片只是近似为同心圆,而且也不平滑,因此选取没有鳞沟分布的鱼鳞侧区进行测量,如图1所示.JCD3型移测显微镜是由浙江光学仪器有限公司生产,显微镜放大倍数30×,最小读数值0.01 mm,纵向测量精度为0.02 mm.

3.1 实验样品的采集与预处理

实验采用新鲜大黄鱼和鲈鱼,鳞片取自鱼体背鳍下方侧线上方的位置,此区鳞片形状典型,磨损少.鳞片表层通常有粘液及皮肤覆盖,用5% NaOH溶液浸泡8 h,使鳞片的深色颜色褪去,以达到脱色的目的.再由头部依次将鳞片按同方向夹入玻片内,用双面胶固定,如图2所示.

3.2 实验步骤

1)在显微镜中找到鳞焦中心,调节显微镜的副尺轮(调微鼓轮)使十字叉丝中心对准鳞焦中心.为了使鳞嵴调到刻度尺的量程范围内,应使鳞焦中心位于刻度尺的中心部位.

图2 鱼鳞片样品

2)右手反转副尺轮,把十字叉丝中心移至鳞嵴40环外以后改为右手正转,使叉丝左移.分别记下鳞嵴由外向内的40,35,25,20,10,5环数的位置读数X40,X35,X25,X20,X10,X5.

3)用同样的方法测量5次取平均值,以减少误差.

4 测量结果与分析

测量大黄鱼鳞片侧区鳞嵴位置读数如表1,鲈鱼鳞片侧区鳞嵴位置读数如表2.

设鱼鳞片外侧鳞嵴间距为D外=(X35-X40)/5;中部鳞嵴间距为D中=(X20-X25)/5;内侧靠近鳞焦附近鳞嵴间距为D内=(X5-X10)/5.

用标准偏差sD表示测量的随机误差,

处理后的试验结果如图3所示.

表1 大黄鱼鳞片侧区鳞嵴位置读数

表2 鲈鱼鳞片侧区鳞嵴位置读数

图3 不同区域鳞嵴间距

由图3可见,大黄鱼和鲈鱼的鳞嵴排布不相同.大黄鱼鳞片中,侧区外侧鳞嵴间距最小约为0.029 mm,由外向内间距逐渐增加,外侧与中部区域鳞嵴间距差值明显;鲈鱼侧区鳞片由外向内相邻鳞嵴之间间距由0.062～0.047 mm逐渐减少.由于鳞片存在鳞嵴和鳞沟等微观结构,即使在相同的区域内,从鳞焦到鳞片边缘鳞嵴的宽度不同,鳞嵴和鳞沟的尺寸也存在较大差异.

5 结束语

本文开发设计了通过使用移测显微镜测量鱼鳞片表面微观拓扑结构的研究性实验项目,扩大了观察的视野,使学生在学习中体会到将所学大学物理技术与知识应用于生物学科中的乐趣,意识到了学习物理知识的意义.不仅激发了学生学习积极性,提高学生分析问题、解决问题的能力,而且对鉴别鱼的种类和年龄,以及对防污减阻的仿生设计具有一定的应用价值.对于水产院校来说,这是一个应用性很强的研究性实验项目.

[1] 高天翔,张秀梅,张美昭,等.寿南小沙丁鱼鳞片表面结构及轮纹特征的扫描电镜观察[J].海洋湖沼通报,2001,(3):34-37.

[2] 范瑞青,姜明,汝少国,等.蓝罗非鱼鳞片表面结构的扫描电镜观察[J].海洋科学,2000,24(3):48-51. [3] 李忠炉,卢伙胜,凌文通,等.南海北部金线鱼和深水金线鱼的鳞片年轮特征比较研究[J].安徽农业科学,2008,36(8):3 323-3 326,3 343.

Measuring surface topological microstructure of scales by reading microscope

WANGJing,LI Bo,QU Bing,CHI Jian-wei,ZHOU Xiao-hui
(School of Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The surface topological microstructure of scales are observed and measured using reading microscope,and the space of scale ridges in different region of Lateolabrax japonicus and Pseudosciaena crocea are analyzed.The experiment on the the measurement of surface topological microstructure of scales has been provided in the physics experiments for the undergraduates,in order to make students know of the research method,and to arouse the students’creative ideas and interests.

scales;reading microscope;surface topological microstructure

O436.1

A

1005-4642(2010)09-0035-03

[责任编辑:郭 伟]

2010-01-11;修改日期:2010-04-29

国家自然科学基金(No.50773010);辽宁省教育厅计划(No.2009A172);教育部物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委会(No.08004);2009年度辽宁省高等教育教学改革研究重点项目(No.A-245)

汪 静(1966-),女,辽宁鞍山人,大连海洋大学理学院教授,博士,主要从事物理学教育、纳米技术与生物功能材料方面研究.