深入探究“植物细胞吸水、失水原理”

李立娟 （石家庄第二外国语学校 河北石家庄 050022）

生物学冀教版2011八上教材第2章第2节“根对水分的吸收”中探究细胞吸水、失水原理是难点，高中生物学必修1“物质跨膜运输的实例”及“物质跨膜运输的方式”中涉及到该知识点，需要扩充一定的知识，并尽量降低难度学生才能理解。目前无资料显示萝卜细胞液的具体合适浓度，笔者进行多次实验得出比较准确的结果，供师生在课堂教学中使用。

1 针对教材实验改进

根据教材第21～22页“探究竟：实验”，切取一些萝卜片替代萝卜条，这样取材能够相对完整，且同时具备输导组织和营养组织，避免不同位置萝卜条细胞液浓度不同；此外在描述实验现象时效果更好，低浓度溶液中的萝卜片会变得更硬，高浓度溶液中的萝卜片变软。没有必要切取同质量的2组萝卜片，因为在实际操作中，要达到此目的需要不断调整，所以可以切取2组萝卜片（厚度在2～3 mm），记录其质量，浸泡20 min，即可出效果（教材给出的是1～2 h），再擦拭掉水分称取质量，对比2次质量即可，这样操作更加节省时间。

2 具体实验方案

2.1 实验目的 帮助学生更好地理解细胞吸水、失水原理，进一步设计实验探究萝卜细胞液的浓度。如果在教材中直接给出此结论：“萝卜细胞液浓度＞1%盐水浓度，萝卜细胞液浓度＜30%盐水浓度”，即可成为已知条件。

2.2 实验原理 向学生简单介绍溶液和浓度的概念及如何配制浓度为1%的盐水和30%的盐水。配制方法：1%盐水：1 g盐加上99 g纯净水。需要进一步说明萝卜由细胞构成，细胞中液泡所占体积（有的液泡占到90%）很大，液泡里含有的细胞液也是一种溶液，溶解有多种营养物质，也具有一定的浓度，因此将萝卜细胞液与不同浓度盐水进行比较。实验采取逐渐缩小浓度范围的方法测算萝卜细胞液浓度，第1次在1%～30%范围内检测细胞液浓度，浓度梯度5%，根据实验结果再缩小盐水浓度的范围，浓度梯度分别是1%、0.2%、0.1%。

2.3 实验器具及材料 烧杯、量筒、天平、搅拌棒、吸水纸、刀、萝卜、食盐。

2.4 实验步骤

1）第1次实验设计5组，根据已知，萝卜的细胞液浓度在1%～30%的盐水之间，因此设置盐水浓度分别是5%、10%、15%、20%、25%，称取 5组萝卜片（每组 3片），质量分别是 13.6 g、15.4 g、13.1 g、14.3 g、14.1 g，1 h 后 擦 干 萝 卜 表 面 的水并称重，5%盐水中的萝卜片质量由13.6 g变为10.6 g，说明萝卜失水，萝卜细胞液浓度一定小于5%盐水浓度，其他4组萝卜片不需要再称重。

2）第2次实验设计 3组（1%～5%之间），盐水浓度分别是2%、3%、4%，称取3组19.9 g萝卜（每组3片）,为了对比不同浓度盐水中质量变化情况，此次称取相同质量的萝卜片，1 h后擦干萝卜片表面水并称重，2%盐水中萝卜片质量为15.4 g，萝卜细胞液浓度依然要小于2%盐水。

3）第3次实验盐水浓度介于1%～2%之间，浓度分别是1.2%、1.4%、1.6%、1.8%,为了提高准确度,分别称取 2.4 g、2.8 g、3.2 g、3.6 g 盐，加入 197.6 g、197.2 g、196.8 g、196.4 g 水（经测算 10 mL 水171滴，0.6 mL水是10滴），称取30 g萝卜片（每组5片），为了更加精确，擦干表面的液体再放入盐水中，烧杯上盖吸水纸（防止灰尘落入）浸泡2 h，1.2%盐水中的萝卜由30 g变为 29.5 g，1.4%盐水变为28 g，1.6%盐水变为27.1 g，1.8%盐水变为25.9 g，萝卜细胞液的浓度已非常接近1.2%的盐水。

4）为了探究萝卜细胞液浓度更接近1.1%还是1.2%盐水,第4次操作将30 g萝卜片擦干表面液体,别放入1.1%和1.2%盐水中，盖上吸水纸放置2 h，1.1%盐水的萝卜片质量由30 g变为30.3 g，吸水；1.2%盐水中萝卜片由30 g变为接近29.8 g，失水。

误差分析：每次实验操作本身可能会有一些误差；此外不同的萝卜细胞液浓度也会不同，放置时间较长也会影响萝卜细胞液浓度；本次实验所用材料萝卜是同一批购买，但第1次实验是9月21日上午进行，第2次、第3次实验是9月22日进行，第 4次操作是 9月 23进行，时间越长萝卜水份蒸发掉越多，可能导致最后一次实验细胞失水较少。又重新购买不同批次的萝卜，经过多次实验验证：萝卜在1.1%盐水中质量变大，在1.2%盐水中质量变小，得出萝卜细胞液浓度确实介于1.1%～1.2%盐水的浓度。

3 实验意义

测出相对准确的细胞液浓度，教师在课堂上就可以直接使用，以该实验数据作为已知条件可降低此知识点的难度，有利于教师的实际教学。学生根据实验结果：1%盐水中的萝卜质量增加，细胞吸水，30%盐水中的萝卜质量降低，细胞失水。因此得出结论：当细胞液浓度＞周围溶液浓度时，细胞吸水，细胞液浓度＜周围溶液浓度时，细胞失水，即水向浓度“高”处流。学生能顺理成章地接受这个结论。

4 小结与讨论

如果学生继续追问：为什么水会由低浓度流向高浓度？可以先让学生进行思考，尝试解答，有的学生能联想到物理上气体的扩散，一个房间内的味道扩散到另一个房间，运用物理学知识进行解释；还有学生在解释过程中提到了被动运输，这是高中生物学必修1“物质跨膜运输的方式”中提到，被动运输包含自由扩散和协助扩散［1］。经过不断尝试，以下解释学生比较容易接受：不同浓度的液体就如同气体扩散，经过水的扩散达到细胞内外浓度的一致，萝卜细胞液浓度﹥1%盐水浓度时，主要因为细胞吸水，细胞液的浓度就会降低，减少细胞内、外溶液的浓度差，因为细胞最外面有细胞壁，细胞吸水是有一定限度的，最终达到一个动态平衡。同理，萝卜细胞液浓度﹤30%盐水浓度时，水由细胞流向浓盐水溶液，细胞失水，细胞液的浓度增大。这个解释中其实还要涉及细胞膜和液泡膜及2层膜之间的细胞质称为原生质层［1］，相当于一种半透膜，水分子能自由出入，有些大分子的物质不能自由出入。品尝1.1%和1.2%盐水的萝卜片，有一定咸味，说明此过程中也应该存在一定Na+的主动运输,也就是说细胞内、外浓度达到一定平衡，有水分子的扩散作用，也应该有Na+主动运输的作用。当然腌制咸菜不是因为Na+的主动运输，是因为时间太长细胞已经死亡，盐能自由扩散进出细胞。

还有一种相对比较容易接受的解释，告诉学生如何配制2种100 mL的盐水溶液，1%盐水基本是1 g盐加上99 g水，而细胞液浓度介于1.1%与1.2%之间（基本相当于1.2 g溶剂+98.8 g水），100 mL的30%盐水是35.2 g盐+97.8 g水配制而成。具体的计算方法如下：由于0.9%盐水密度约为1 g/cm3，所以1%盐水密度也近似1 g/cm3，配制100 mL 1%的盐水溶液：1 g盐+99 g水；由于在常温（20～30℃）常压下，饱和食盐水浓度是 26.5%，密度是1.33 g/cm3，所以30%的盐水在常温常压下（会有盐粒析出）不可能实现，因此按照饱和食盐水的密度换算：100 mL 30%盐水质量是133 g（100 mL ×1.33 g/cm3），盐 的 质 量 133 g×26.5%=35.245 g，水的质量 133-35.245=97.755 g。

等体积（100 mL）的 1%盐水、萝卜细胞液、30%盐水中， 水的含量别是：99 g、98.8 g、97.8 g，水的含量：1%盐水＞萝卜细胞液＞30%盐水，所以水的流向由“多向少”，1%盐水→萝卜细胞液→30%盐水，因此得出水向浓度“高”处流。

主要参考文献

［1］人民教育出版社,课程教材研究所,生物课程教材研究开发中心.高中生物：必修1:分子与细胞.2版.北京：人民教育出版社,2004.