探究蔗糖溶液与Nacl溶液对质壁分离效果的影响

李中原

【内容摘要】质壁分离与质壁分离复原是高中生物的一个经典实验。我校进行此实验时用30%的蔗糖溶液，但在实验过程中发现用蔗糖溶液进行实验的成功率并不高，而且发现蔗糖溶液极易污染显微镜载物台以及物镜。笔者通过设置1%～5%以及10%的Nacl溶液探究出用3%的Nacl溶液处理洋葱鳞片叶表皮细胞发生质壁分离与质壁分离复原的成功率大幅提高。让学生比较蔗糖溶液与Nacl溶液对实验效果的影响能够培养学生综合分析、数据处理的能力，同时激发学生的学习兴趣，增强学生的科学素养。

【关键词】质壁分离 质壁分离自动复原 蔗糖溶液 Nacl溶液

一、问题的提出

质壁分离与质壁分离复原实验是教材上一个经典的实验，教材中使用的质壁分离试剂都是0.3g/mL（即30%）的蔗糖溶液。让学生按照书上的步骤按部就班的进行实验，学生基本能顺利完成实验，但学生的总结归纳、综合分析能力没能得到很好的锻炼。

我校多年来质壁分离与质壁分离复原实验所用试剂为30%蔗糖溶液，在实验的过程中也发现了一些问题，主要集中在以下几个方面。

1.配制蔗糖溶液时，蔗糖的溶解速度较慢，在一定程度上会影响实验进程。

2.学生很容易因操作不当将蔗糖溶液滴洒在载物台上，过一段时间后载物台上就变得黏糊糊的很难清理，给后面的实验者带来麻烦。

3.实验结束后，有的学生未及时清洗载玻片和盖玻片，容易导致载玻片和盖玻片粘连在一起。

4.学生在使用蔗糖溶液时有时候不慎将物镜（尤其高倍物镜）粘上蔗糖溶液，很难用擦镜纸擦拭干净。

5.目镜和物镜如果不慎留有蔗糖溶液，没有经过及时清理就会发霉，从而影响显微镜的使用。

为更好的培养学生自主综合分析能力以及学习兴趣，也为了解决蔗糖溶液所带来的诸多不便，笔者在实验中引入了Nacl溶液，让学生在探索、对比中找出使用蔗糖溶液与Nacl溶液对完成质壁分离以及质壁分离复原实验的优缺点。

二、活动准备

1.取材

新鲜的洋葱鳞片叶一片。

2.试剂

30%的蔗糖溶液，1%、2%、3%、4%、5%、10%的Nacl溶液（有研究表明当Nacl溶液浓度为0.7%～5%左右时，发生质壁分离后能够复原，而低于此浓度不发生质壁分离，高于此浓度不能发生质壁分离复原①），清水。

3.预实验

笔者按照教材中的实验步骤分别用不同浓度的Nacl溶液进行了预实验（由于30%蔗糖溶液以前已被多次使用，故在预实验中省去了30%蔗糖溶液）。将制作好的洋葱鳞片叶表皮细胞临时装片放在放大倍数为100倍的光学显微镜进行连续观察。当滴加Nacl溶液时开始计时，记录开始发生质壁分离时间、完成质壁分离时间、开始质壁分离复原时间以及完成质壁分离复原时间，对完成质壁分离用时、完成质壁分离复原用时、质壁分离程度以及质壁分离复原程度进行统计。质壁分离程度的判定：能观察到原生质层与细胞壁有较明显的分离记为“+”；能观察到原生质层与细胞壁有明显的分离记为“++”；能观察到原生质层与细胞壁完全分离记为“+++”；能观察到原生质层与细胞壁分离十分明显，原生质层有过度收缩倾向记为“++++”；能观察到原生质层与细胞壁分离十分明显，原生质层过度收缩记为“+++++”。质壁分离复原程度的判断：能够迅速恢复到原状态，液泡占据几乎整个细胞记为“+++++”；能够较快恢复原状态，液泡占据几乎整个细胞记为“++++”；能够恢复原状态，液泡占据大部分细胞记为“+++”；能够恢复原状态，液泡占据部分细胞记为“++”；长时间不能够恢复原状态，液泡没有明显变大迹象记为“+”。预实验结果如表1。

注：+表示质壁分离与质壁分离复原程度

可以看出在1%～10%的Nacl溶液中，随着溶液浓度的增大质壁分离用时变短，而质壁分离复原用时则随着溶液浓度的增大而增长。当Nacl溶液浓度为1%时，洋葱表皮细胞基本上不发生质壁分离现象，因此质壁分离复原时间未能准确测量。当Nacl溶液浓度为2%-5%范围时，质壁分离复原率随着Nacl溶液浓度的增加有所下降。当Nacl溶液浓度为10%时，洋葱表皮细胞发生极明显的质壁分离现象，液泡极度皱缩，导致细胞因过度失水而死亡，细胞未出现质壁分离复原现象。

预实验过程中笔者还积极探索了撕取洋葱表皮的方法，通过查阅文献发现用双手由内向外掰，从折断处顺势轻撕，能够很容易撕取单层的洋葱鳞片叶紫色外表皮。笔者经过验证发现由于新鲜的洋葱十分脆，很容易折断，因此能够较顺利的撕取单层洋葱鳞片叶表皮细胞。

三、学生实验

让学生随机的坐在实验室内，每2个人一张实验桌[笔者共对两个班学生进行了实验，分别为高一（1）班及高一（6）班，人数分别是53人、54人]，每个实验桌发放新鲜的洋葱鳞片叶表皮一片、镊子、显微镜、盖玻片一盒、载玻片2张等相关实验仪器以及3%的Nacl溶液和30%的蔗糖溶液。

在学生实验前，笔者注意到了以下2方面问题：

1.用2%-5%的Nacl溶液处理的洋葱鳞片叶表皮细胞随着Nacl溶液浓度的增加，质壁分离复原率有所下降，但用2%、3%的Nacl溶液处理的洋葱鳞片叶表皮细胞质壁分离复原率在可接受范围内。

2.每组学生必须在短短的45分钟内同时完成用蔗糖溶液及Nacl溶液处理洋葱鳞片叶表皮细胞并对这两种溶液处理效果做出评估，必须要合理安排时间才能保证实验能够顺利完成。综合考虑用Nacl溶液观察洋葱鳞片叶表皮细胞的质壁分离与质壁分离复原时间控制在10分钟之内最为合适，故将浓度为3%的Nacl溶液用作学生实验。蔗糖溶液浓度依然选用教材中给出的0.3g/ml。学生实验结果见表2。

可以看出，用30%蔗糖溶液进行实验高一（1）班的学生能够顺利完成实验的概率是65.4%，高一（6）班能够顺利完成实验的概率是74.1%；用3%Nacl溶液高一（1）班的学生能够顺利完成实验的概率是88.5%，高一（6）班能够顺利完成实验的概率是92.6%。由此得出用3%Nacl溶液进行实验的成功率要比用30%蔗糖溶液进行实验高很多。另外笔者还发现用3%Nacl溶液处理的洋葱表皮细胞更能够易于观察到质壁分离现象，原因是用质量分数为3%Nacl溶液处理的洋葱鳞片叶表皮细胞普遍发生质壁分离现象，而用蔗糖溶液处理的洋葱鳞片叶表皮细胞多集中在一部分细胞发生质壁分离（下图）。笔者查阅相关资料未发现能够解释这种现象的原因，通过后续的重复实验观察笔者推测这种现象可能是Nacl溶液要比蔗糖溶液更加容易进入到细胞间隙中导致。

蔗糖溶液处理后的洋葱表皮细胞

Nacl溶液处理后的洋葱表皮细胞

有研究表明，Nacl溶液浓度为2%～6%的时候约有50%～90%的细胞发生质壁分离②。由于细胞内外存在浓度差，当外界溶液为30%蔗糖溶液或者3%Nacl溶液时，细胞会失水。由于失水，原生质层就会向内较大幅度收缩，而细胞壁由于伸缩性较差收缩幅度很小，从而导致细胞原生质层与细胞壁发生分离，质壁分离后的液泡紫色加深，呈现不规则的图形，如月牙形和哑铃型。

四、小结

通过上述对比实验，笔者认为：

1.随着Nacl溶液浓度增大，细胞外液与细胞液的浓度差变大，质壁分离的速度变快，分离的细胞数量随之增多，现象越明显。在滴加清水后，原本紫色变深的液泡颜色逐渐变浅直至发生质壁分离的细胞全部复原。

2.在取材上，用对折洋葱鳞片叶撕取表皮的方法比经典的用小刀划“#”，再用镊子撕取表皮的方法好，其优点是容易操作而且所取表皮一般为单层洋葱鳞片叶细胞，有利于显微镜下观察细胞的形态变化，提高实验的成功率。

3.在配制质壁分离试剂上，用Nacl作溶质配制质壁分离试剂比蔗糖的效果好。在试剂的浓度上，用质量分数2%～5%NaCl溶液优于教材中介绍的30%蔗糖溶液，其中尤以质量分数3%NaCl溶液为佳。即使不慎有少量NaCl溶液滴落在载物台或物镜上，用吸水纸揩干即可，不会产生粘连和粘稠感。

4.从经济价值上考虑，800人做1次该实验约需1kg蔗糖，而改用食盐，只需0.05kg，市场上食盐要比蔗糖便宜很多，可以节约开支，降低实验教学的成本。

有老师认为使用Nacl溶液会有质壁分离自动复原现象，笔者在预实验以及学生实验中未发现此现象。通过查阅相关文献，笔者发现赵则信研究了钠离子、氯离子、氨根离子、硝酸根离子等对质壁分离自动复原的影响，他的实验证实引起质壁分离自动复原的离子是硝酸根离子，这也就解释了为什么用Nacl溶液处理洋葱鳞片叶表皮细胞没能发现发生质壁分离自动复原现象③。

【注释】

① 童席征、刘红生、毛喜生. 影响“植物细胞质壁分离和复原”的若干因素的研究，《生物学通报》，1998年第33卷第7期.

② 顾怡、胡兴昌. 应用Nacl进行“植物细胞质壁分离及复原实验”的探索，《生物学教学》，2012年（第37卷）第6期，47.

③ 赵则信. 影响质壁分离自动复原因素的实验探究，《林区教学》，2012年第7期总第184期108-109.

（作者单位：安徽省合肥市第十中学）