探究鸟卵外部结构与功能及其在进化中的地位

张艳 李秋菊

摘要为帮助学生建构“卵壳、卵壳膜的保护作用，能减少水分的丢失”的重要概念，对人教版教材中“观察鸡卵的结构”的实验进行了拓展，重新设计几个直观形象的实验，探究了卵壳的保护、透气、防菌、保湿、颜色、外形及卵壳膜的渗透作用，充分论证鸟卵外部结构对陆地生活的高度适应性，进一步加深学生对鸟卵结构功能与其生活环境相适应的生命观念的理解。

关键词鸟卵 卵壳 卵壳膜 渗透作用

“鸟的生殖和发育”是人教版义务教育教科书八年级下册第七单元第一章第四节的内容，教材安排了“观察鸡卵的结构”的实验，希望学生通过对鸡卵结构的观察分析，形成“鸟卵既可贮存丰富的营养物质供胚胎发育需要；又有卵壳、卵壳膜的保护，能减少水分的丢失”的重要概念，进一步建立起鸟卵结构功能与其生活环境相适应的生命观念。但教材中的这个实验侧重于对鸟卵内部结构的观察，对“卵壳、卵壳膜的保护作用，能减少水分的丢失”的实验设计概括性过强，很难直接说明结论，亦无法充分展现鸟卵的卵壳、卵壳膜结构的复杂性和高度适应性。因此笔者对实验进行了拓展创新，不但重新设计几个直观形象的实验，充分论证鸟卵外部结构对陆地生活的高度适应性；更创造性地引入其他卵生动物卵与鸟卵形态进行对比，进一步突出鸟卵外部结构的优越性；并适时引入进化的观点，为学生后面的学习打下基础。

1实验设计依据及创新点

鸟卵在陆地孵化和发育过程中面临着很多困难，诸如物理伤害、多氧、微生物、缺水、天敌等。鸟卵的外部结构卵壳和卵壳膜如何适应这些恶劣环境，通过设计实验带领学生们探究了卵壳的保护、透气、防菌、保湿、颜色、外形及卵壳膜的渗透作用。整个实验以鸡卵为例。

2实验内容设计

2.1探究卵壳作用之一——保护

教师：由于鸡卵在孵化时能承受住母鸡的体重及其他物理伤害，所以卵壳必定是十分坚固的。它到底有多坚固呢？为什么能这么坚固呢？我们通过两个实验进行探究。

第一个实验是“脚踩鸡蛋”。教师请一位学生双脚踩在一些鸡蛋上，鸡蛋未破。教师通过这个实验向学生直观展现出卵壳的坚固。第二个实验是“笔戳蛋壳”。教师在手中放半个卵壳，凸面朝上，让笔尖在距其10 cm的高度垂直落下，最终卵殼完好如初。

学生亲眼看到卵壳如此坚固，这与学生头脑中的前概念产生认知冲突，激发了学生探究卵壳坚固原因的兴趣。教师适时引入解释，这是因为卵壳的外形弯曲均匀且对称，这种形状可以将受到的压力均匀传给其他部分，并且巧妙地相互抵消，从而能够承受很大压力。同时教师拓展：这种结构在社会生活中的应用实例，比如石拱桥和安全帽。

但是从另一个角度来说，卵壳这么坚固，雏鸡是不是不容易出来呢？接着教师带领学生再做一个实验。将卵壳凹面朝上拿在手中，让笔尖同样从10 cm高度垂直落下，可以观察到卵壳轻易就碎了。这是因为外力是从卵壳内部施加，力就会集中在一点，从而使卵壳轻易碎掉。所以卵壳的巧妙结构使得鸡卵既可以避免机械损伤，又能让小鸡轻松出壳。

2.2探究卵壳作用之二——透气

卵壳除了能保护胚胎以外，还要解决鸟卵发育中所需氧气的问题。这要依靠卵壳上的气孔来完成。但如何证明气孔的存在？学生联想到叶片上气孔的检测方法，独立思考想出了办法把鸡蛋放进温水中，卵壳表面有气泡产生，说明卵壳有气孔。学生通过实验现象总结出卵壳具有透气的作用，能为胚胎发育提供空气。

2.3探究卵壳作用之三——防菌

教师：卵壳上既然存在气孔，微生物等有害物质不是也能轻易侵入？卵壳能否起到防菌的作用？我们将进行探究卵壳的防菌性。

教师准备1号培养皿中放入未洗过的鸡蛋，2号放入清洗过的鸡蛋，3号放入去卵壳的鸡蛋，4号放入去卵壳和卵壳膜的鸡蛋，5号放入去卵壳和卵壳膜且蛋黄搅散的鸡蛋。为了加快实验进程，先给培养皿内各鸡卵接种霉菌后放入恒温箱中培养。培养4 d后，5号培皿中的材料开始腐败；培养6 d后，4号材料也开始变质，8 d后3号出现霉点。最终实验数据表明保存最久的是未洗的鸡蛋，在26℃恒温箱中可保存约15 d。

未清洗的鸡蛋保存时间久的原因是除了有卵壳起保护作用外，卵壳外还有两层护膜。护膜的发现很意外，是在制备无壳卵的过程中发现的。无壳卵的获得实质是将卵壳和卵壳膜分离的过程，目前主要有物理法、化学法和酶解法三种笔者采用了相对简单的白醋浸泡法。在浸泡的过程中发现白醋的液面上出现了一层有颜色的膜，原来棕色的鸡蛋壳变成了白色。针对这个现象，查阅了大量资料，终于找到原因：这层有颜色的膜是护膜，为透明蛋白质薄膜，分为两层，内层紧粘真壳，形成斑状纹理，外层护膜形成卵壳的底色。其中外层护膜允许氧气、二氧化碳等气体自由进出，但却能阻挡微生物侵入。由此，师生总结出卵壳的作用：可有效抵挡微生物的侵入，同时由于外层护膜易溶于水，所以保存鸡蛋时最好不要清洗。

2.4探究卵壳及卵壳膜作用之四——保湿

教师微生物体积相对较大，卵壳可以阻挡，但鸡卵内部的小分子物质如水分子，也能被卵壳阻挡而不散失吗？接下来设计的实验就是探究卵壳的保湿性。

准备两个空卵壳，1号有壳膜，2号无壳膜；取三个100mL量筒，分别装满100mL水，将1号和2号卵壳分别倒扣到量筒上。将3个量筒置于通风处，3 d后，3个量筒内水面分别下降1、1、3 mL。由于此时卵壳膜已经完全干燥，故而实验结束。

1号和2号量筒内水面下降刻度相差不大，表明卵壳膜的保湿效果似乎并不明显。学生推测：是否是因为卵壳膜干燥才导致其失去效用的呢？师生查找资料后发现，卵壳膜确实不具备保湿功能。由此，师生总结出卵壳的作用：防止水分散失。两栖动物卵离开水仅几小时就会失去活性，鸟卵结构在防止水分散失方面要远远优于两栖动物。

2.5探究卵壳膜作用之五——渗透

教师：鸟卵除了能有效抵抗陆地环境中出现的各种危机，还要能有效解决其自身孵化时遇到的各种情况。如胚胎发育需要稳定渗透压，这个问题怎么能解决呢？

考虑到卵壳膜是一种半透膜，应具有半透性，所以教师引导学生探究卵壳膜的渗透作用。由于半透膜不允许大分子物质如蔗糖等通过，只允许小分子物质如水、无机盐离子等通过，所以本实验分两组进行，分别探究卵壳膜在蔗糖溶液及饱和食盐水中的渗透作用。

第一组：将鸡卵用醋浸泡2 d，得到3枚无壳卵，将其分别放入装有空气（1号）、清水（2号）及饱和食盐水（3号）的烧杯中静置。

第二组：用同样方法制备7枚无壳卵，分别放入7个烧杯中：1号空气、2号清水，3号到7号烧杯中分别注入浓度为0.1、0.2、0-3、0.4、0.5 g/mL的蔗糖溶液。这组蔗糖溶液浓度值的设定是参考植物细胞质壁分离实验。

连续观察2 d后，第一组实验结果显示，无壳卵在清水及盐水中均出现体积增大现象，表明卵殼膜允许如水、盐离子等小分子物质透过；且在浓盐水中卵颜色还出现发白现象，这是浓盐水使蛋白质析出所致。饱和食盐水使无壳卵体积增大现象与植物细胞在饱和食盐水中失水、体积缩小的现象相反，说明卵壳膜的透性比细胞膜高，是一种过滤膜。第二组实验结果显示，在0.3g/mL浓度的蔗糖溶液中无壳卵吸水失水达到平衡，体积变化不大；在低渗蔗糖溶液中（0.1、0.2g，mL浓度）无壳卵出现明显吸水现象导致体积增大；在高渗溶液（0.4、0.5g/mL浓度）中无壳卵出现明显失水现象导致体积缩小，表明卵壳膜能够阻挡蔗糖等大分子透过。由此，师生得出结论：卵壳膜具有半透性，其作用是在鸟类的胚胎发育中维持鸟卵内部渗透压，保护胚胎。

2.6探究鸟卵颜色对其生存的意义

卵壳的坚固、透气、防菌、保湿功能主要是在自然状态下起作用，但在面对天敌时卵壳是否还能出其不意克敌制胜呢？师生观察了不同环境中生活的鸟卵的颜色，如在沙滩上生活的潜鸟的卵，其颜色为土黄色，与沙地石块颜色接近（甚至有时连亲鸟都分不清楚而出现孵化石头的现象）；以干草为材编织鸟巢的鸟，其卵常带有花纹；在树林中营巢的鸟，产蓝色或紫色的卵，这样通过树枝透进来的阳光，明暗相杂，正好与卵颜色相混淆，使之难以被发现。

由此，学生可知：鸟卵颜色及花纹图案与其生存环境及所在巢类型颜色近似，具有保护色作用，极大提高鸟卵生存率。

2.7探究鸟卵外形对其生存的意义

鸟卵在孵化过程中，亲鸟翻动鸟卵时可能出现鸟卵掉落巢外的情况，对此鸟卵是否也有适应呢？观察鸡卵外形，发现鸟卵一头略尖，一头钝圆，即洋梨形。将鸡卵放在桌子上，轻轻地推动，它总是转圈滚动而不至于滚远，滚动时钝圆的一头朝外，钝圆一端有气室，若有损伤，也不至于影响全卵。通过滚动实验，学生可知：鸟卵的特殊外形使其不容易掉落巢外，提高孵化的成活率。

综上所述，通过实验师生可以总结出鸟卵的外部结构是与其生活的陆地环境高度适应的。学生将鸟卵与另一种也能将卵产在陆地上的脊椎动物——爬行动物的卵对比，发现：虽然其卵也具有卵壳和卵壳膜，但卵壳颜色均为白色，不具备鸟卵的保护色功能；爬行动物卵壳外形为正椭圆形，不具备洋梨形鸟卵防止翻落巢外的功能；卵壳硬度很低，保护作用也远远不如鸟卵。鸟卵是迄今为止结构最为复杂，陆地适应性最强的卵。通过对两栖动物、爬行动物和鸟类卵的结构功能进行对比，可发现生物进化的总体趋势：由简单到复杂，由低等到高等，由水生到陆生。

3实验反思

本实验是在人教版教材“观察鸡卵的结构”基础上的一次大胆的尝试和探索，旨在帮助学生学会向科学家一样思考问题，在科学严谨的实验设计中寻找和验证问题的答案，锻炼学生的科学思维。本实验的切入点从学生最熟悉的鸡蛋入手，设计的几个实验既简单直观，又充满浓厚的生活气息，真正让生物学知识“活”起来。在教学中，教师还有意识地创设了丰富的实验情境，激发学生主动探究的热情欲望，在通过实验建构“卵壳、卵壳膜的保护作用，能减少水分的丢失”的重要概念，完善鸟卵知识体系的同时，引导学生逐步形成科学的思维习惯和掌握科学的实验方法。