光照强度对黑藻胞质环流速率影响的探究*

孙 娟 修国栋 李路军 王衔飞

（首都师范大学附属回龙观育新学校 北京 102208）

高中生物学实验目录中有叶绿体的观察实验，通过观察叶绿体的流动，学生可以理解胞质环流现象。 一般情况下，生命活动越旺盛的细胞，其胞质环流速率就会越快。 但是，在实际操作中，很多学生并没有观察到明显的胞质环流现象。 影响胞质环流速率的环境因素有很多，例如光照强度、光照时间、温度等，通过控制这些环境因素可以改变胞质环流速率。

本文采用定量的方法探究了不同光照强度对胞质环流速率的影响,通过适度提升光照强度，能有效提高胞质环流的速率。 同时，通过控制光照强度改进教材实验，促使学生更深刻地体会“生物能对外界刺激做出一定的反应”的生命特征。

本实验综合运用了物理学、数学方法，并利用计算机完成胞质环流速率的测定，学生在实际操作中提高了综合运用知识的能力、提升了综合素养。

1 材料与方法

1.1 材料 显微镜、新鲜黑藻、血球计数板、光通量计、光敏电阻、万用表等。

1.2 方法

1）将血球计数板单独放置在显微镜载物台上，拍照片留存（图1）。

图1 血球计数板计数区长度测定

2）将显微镜载物台降至最低，把光调至最亮，将光敏电阻放在载物台上缓慢移动， 使其电阻降至最低，记下此时电阻值R0。 通过采用最值方法，使得每次测量初始时光敏电阻的位置相同。

3）调节显微镜光源的光照强度并保持光敏电阻位置不变。 将黑藻顶端第5～7 片叶子制成临时装片， 在显微镜下观察并录制实验初始时胞质环流视频，用于后续的速率测定。

4）降下载物台至最低处，调节显微镜光源的光照强度至固定值2 000 lx，照射5 min 后再次观察并录制视频。

5）改变光照强度至4 000 lx、6 000 lx，重复2～4 步骤。

6）将各组视频与步骤1 所得图片调至相同大小， 运用图象处理技术选取并追踪视频中的叶绿体， 根据V＝S/T 测量其单位时间走过的路程，从而得出不同光照强度下的胞质环流速率。

2 结果与讨论

2.1 光照强度与光敏电阻的阻值关系 根据实验得知， 光敏电阻的阻值在光通量较低时随光照变化非常敏感， 但光照强度过低又不利于胞质环流的观察。 因此，可以对光敏电阻的通光口进行固定的遮挡， 使其对于2 000 lx 至6 000 lx的光照强度时电阻值变化敏感。 测出不同光照强度下光敏电阻阻值并记录， 对光照强度值和光敏电阻值进行自然对数处理后， 发现二者呈线性关系（图2）。

图2 光敏电阻阻值和光照强度的关系

2.2 光照强度对胞质环流速率的影响 实验中，分别测定了室温（19～21℃）条件下,2 000 lx、4 000 lx、6 000 lx 光照强度处理叶片5 min 前、后，黑藻细胞的叶绿体位置的变化（图3），进而计算得出胞质环流速率。

图3 光照前、后黑藻叶片叶绿体位置的变化

由图可知，黑藻在室温无额外光源（光照强度约为540 lx）处理情况下，胞质环流速率较小，且每个叶绿体的流动速率差异较大。 经过5min 的光照处理，胞质环流速率会有大幅度提升，在2 000 lx、4 000 lx、6 000 lx 光照强度下， 细胞的胞质环流速率较光照前分别提高了66.3%、140%、67.0%（表1），且叶绿体的流速较为均一，更加方便观察。

表1 不同光照强度照射前后黑藻叶绿体流速的测定

进一步提高光照强度至8 000 lx 照射黑藻细胞5 min 后， 发现黑藻细胞的胞质环流速率不但没有增加，反而有所降低。推测在光照强度过大的情况下，细胞的生命活动会变为更不活跃的状态。

3 实验结论

实践证明，4 000 lx 光照强度下照射5 min 能够有效提高胞质环流的速率。 胞质环流速率可以从一定程度上反映细胞新陈代谢的旺盛程度，因此， 适宜的光照能够有效提高细胞的细胞代谢速率， 而过高或过低的光照强度都不利于细胞进行代谢活动。

通过探究，将教材实验进行了优化，即学生在观察黑藻叶片胞质环流实验中，可以先观察自然光源下叶绿体的流速，之后通过利用显微镜的光源照射叶片3～5 min， 再观察叶绿体的流速的变化，此举能极大提升实验成功的概率，也能帮助学生理解光照强度对植物细胞生命活动的重要影响。

本文通过综合运用物理学、生物学、数学、信息技术等学科的知识， 对胞质环流速率进行了定量的分析、测定。 学生在实验过程中，知识的综合运用能力和综合素养都有所提升。