一个生活化的探究实验及启示：生物膜活性对离子通过的影响*

徐 彤 曹燕波

（无锡市辅仁高级中学 江苏无锡 214123）

1 问题的提出

高中生物学教材中有“动、植物细胞膜具有选择透过性”的内容。对这一核心概念的解析中，各种教材中主要列举了2个实验：一是成熟植物细胞由于吸水或失水而发生的质壁分离和质壁分离复原现象，另一个是哺乳动物红细胞吸水涨破现象［1］。前者属于成熟案例，在实际教学中能够取得较好的观察效果，可是后者却由于细胞 “个头小”“显微镜下的形态变化不易被观察”等缺点在实施时效果不够理想。在组织学生开展研究性学习过程中，笔者采用了一种更简易、更贴近学生生活实际的实验技术——腌咸蛋。

作为一个“超级”动物细胞，鸟卵有卵壳、卵壳膜、卵黄膜几种阻隔物质进出的结构。其中卵壳坚硬，保护作用强，上有许多小孔能够保证鸟卵发育过程中所需的空气流通，因而对离子进出具有全透性［2］；卵壳膜薄、双层，在卵的钝端（大头）2 层膜之间常形成一个小气室，为胚胎发育提供氧气。曾经有研究者将卵气室所在部位的部分蛋壳去除，制作成一个简易的渗透作用装置［3］，也有研究者用实验证明蛋白质不能通过鸡蛋膜［4］。所以可以将鸟卵的壳膜作为一层“选择透过性膜”对待。

生活中很容易观察到一种现象，如果用水彩笔涂熟的鸡蛋，颜色在不长的时间里就可以透过“壳”“膜”，渗透到蛋白层。颜料分子不是离子，而是不同分子量的大分子有机化合物，正常情况下染料大分子应该不能进入活卵细胞，这也可以作为卵膜选择透过性被破坏的佐证。作为生物膜，壳膜在被破坏前、后选择透过性发生了怎样的变化？笔者选择了氯化钠溶液进行研究。

2 原理分析

原理1：不同的环境条件下，例如高温、pH过高或过低都会破坏膜的活性。以高温环境为例，高温下蛋白质会出现变性，导致有活性的壳膜丧失选择透过性。所以说，在控制外界离子进入蛋体方面，生卵与熟卵最大的不同应该是壳膜选择透过性的差异。通过对业内人士走访了解也证实了上述想法：生卵的蛋清如果没有腌制到一定时间是不太咸或没有咸味的；而熟卵腌制不久就会变咸。

原理2：咸蛋的咸味，主要来自于腌制液中的离子（钠离子、氯离子）。

食盐是腌制咸蛋最常用的材料，当Na+和Cl-进入蛋体，会引起蛋清和蛋黄出现咸味。

3 实验研究过程

3.1 实验设计要点

3.1.1 选材 选择家常食材中体积较小的鹌鹑蛋作为实验材料，这样可以缩短实验周期。使用“雪花盐”，250 g/袋，江苏省金桥盐化集团古淮制盐有限公司生产（氯化钠含量大于98.5%）。

3.1.2 处理方法 将蛋体充分浸泡在一定浓度的腌渍液中。设立“开水煮熟”（电磁炉高温水煮处理）的蛋体作为对照组，比较2种状态生物膜的功能特性。

3.1.3 检测 选择2种测定Na+浓度变化相结合的方法，分析比对了解离子通过不同生物膜的特点。

1）定性测定。采用实验者口尝蛋白咸味的方式。根据实验者口感对蛋白样品咸度作出评价，评价指标使用“无咸味”“有咸味”。为减小测定误差，实验者每次口尝前都使用清水漱口。

2）定量测定。采用的是“凯氏定氮法”，测定Na+的含量。 分别选择 2 h、12 h、30 h、48 h、72 h 等5个时段，每组随机取3个样品的蛋白进行测定。

3.1.4 腌渍液浓度 将氯化钠腌渍液浓度设为15%。预实验中发现，当设置18%的食盐腌渍溶液时，经历48 h后，生卵组蛋白约有一半出现咸味，熟卵组则全部出现咸味；而10%的食盐腌渍液48 h内生卵组只有个别出现咸味。

3.2 实验材料 生、熟2种鹌鹑蛋若干、氯化钠、小烧杯、煮锅、量筒、天平、蒸馏水、凯氏定氮法实验相关用具等。

3.3 实验操作流程

3.3.1 预实验 取大小相近的鹌鹑蛋（实验个体的蛋壳需完整,无破裂）一分为二，将其中一半通过电磁炉煮沸3 min，并自然冷却。将这2组分别用约18%、10%的食盐溶液充分浸泡腌渍，时长都为48 h。实验结束后，分别品尝蛋白咸味情况。具体结果略。

根据预实验结果推测，熟卵出现咸味的平均时间较生卵早。考虑到鹌鹑蛋蛋体偏小，为了更准确地检测出熟卵开始变咸的大致时间，将氯化钠腌渍液浓度设为15%。在取样时间间隔上设定为“前紧后松”，即实验前2 d尤其是最初一段时间取样间隔时间较短，越往后间隔时间则越长。初步设定为1 h、2 h、4 h、6 h、9 h、12 h、15 h、18 h、20 h、24 h、30 h、36 h、48 h、60 h、72 h 共 15 个取样时间。

3.3.2 材料准备 以5枚为一组分别设置生、熟实验组（图1）。配制15%的氯化钠溶液，备用。

图1 设置生卵、熟卵实验组

3.3.3 腌制 根据预先设定的取样时间间隔设置多组，编号。将鹌鹑蛋置于烧杯内，并向烧杯中倒入相同体积15%氯化钠溶液，保持蛋体始终浸泡在溶液中。实验温度为室温。

图2 将生卵、熟卵分别浸泡在相同浓度的氯化钠溶液中

3.3.4 取样检测

1）每次从腌制液中取出生卵后，都使用电磁炉沸水煮沸3 min。

2）将同一取样时间的生、熟2组分别去壳、暴露卵黄，并进行包括蛋白咸度在内的比对。

图3 生、熟卵取样样品对比

3）结合定性测定与定量测定2种方式，了解腌渍液离子渗入蛋体情况。

3.4 实验现象及结论

实验现象1：实验者对蛋白进行口尝定性测定结果记录（部分）如表1。

表1 对蛋白进行口尝定性测定结果

约6 h后熟卵组多数个体的蛋白会出现 “变咸”，即腌制液离子明显进入蛋体内。从12 h生卵组陆续开始出现变咸个体，至30 h后比例有所扩大。尽管实验者尝味准确度存在一定误差，但2种卵开始变咸所需的时间却存在明显差异。

实验现象2：Na+定量测定显示，72 h内相同时段内熟卵内的Na+含量始终较生卵高。生卵在30 h左右开始明显升高（与口尝蛋白有咸味儿基本一致），后来一段时间则变化不明显。数据见表2，绘制成坐标曲线见图4。

表2 2组卵在不同时间点时含有 Na+的浓度（每 g蛋白中 Na+的mg数）

图4 蛋清中Na+浓度的变化

实验结论及分析：熟卵组更容易变咸。原因可能与熟卵壳膜的选择透过性丧失有关。而生卵壳膜对腌制液中Na+离子的扩散具有明显的“限制作用”，即具有一定的“选择透过性”。

4 实验拓展

最初进行这项研究性学习课题的时候，只是想验证一下“有活性的壳膜是否真的会像细胞膜那样具有选择透过性”。在查阅资料、设计实验方案的过程中发现，制约腌制液离子进入蛋体的因素远不止“是否丧失膜的选择透过性”一种，例如发现在高浓度氯化钠溶液中浸泡一段时间后不论生卵组还是熟卵组，蛋体的总质量基本不变。

根据调查获得的资料，学生还陆续设定了一些其他的研究目标，例如生卵、熟卵哪种的蛋黄更容易腌出“油”？腌制多长时间蛋黄会出油？工厂生产咸蛋过程所使用的其他辅料（如白酒）有什么功能？用盐外包的“干腌”与用浓盐水“湿腌”哪个腌制效果更好？

5 由本实验带来的启示

用腌咸蛋研究细胞膜的选择透过性是一种源自生活的实例。由于实验材料容易获得，实验操作简便易行，实验现象直观明了，对学生来说易学易做易懂，因而有助于学生巩固对细胞膜选择透过性的认知，对于提高学以致用的生物学素养有着独特的作用。

实践表明，凡能与日常生活联系密切的实验材料和研究课题都能最大限度地激发学生的探究欲望和学习热情，在生物学教学中类似的例子还有很多。例如相对于制作“（由于杂菌污染）没法吃”的腐乳，学生似乎更愿意制作“可以吃的”各种果酒。在“果酒的制作”实验中，如果教师在提供实验基本原理介绍的同时，多讲一句“果酒的称谓完全取决于酿酒的材料”，并布置学生利用课余时间在家自主完成其他材料的酿酒尝试，一定会有意外的收获。教师还可以组织学生利用学到的有机物鉴定方法，尝试对自己熟悉的食物或饮料进行成分鉴定分析。循着这种思路，如果能带领学生自己尝试制作酸奶、做泡菜一定能吸引学生更积极主动地学习相关的生物学知识。

新课程改革倡导探究学习，提倡学生积极尝试资助学习课题研究。这些课题既要围绕核心概念，又要尽量与学生的生活相联系。针对学生对于“夏季晴朗的中午，植物叶片光合作用强度下降与叶表皮气孔关闭的相关性”缺乏直观认识，教师可以给予积极的引导，鼓励学生设计相应的实验课题，例如“蚕豆叶表皮细胞控制水分进出功能研究”。针对问卷调查显示，学生对豌豆遗传实验学习上最大的困难是没见过豌豆花的结构，可以确定“豆科植物的有性生殖”的课题研究，内容包括解剖观察豌豆花（或者其他豆类花）、人工“去雄”、“人工授粉”“套袋”等实验内容。

科学需要研究，在一次次的尝试和失败中学生才有可能真正理解事物的本质与联系，才能将提升学生的科学素养，培养其科学探究的能力落在实处。在实验教学中，如何使学生实验更加生活化，更贴近学生的实际和适应未来的需求，值得不断探索。

感谢：感谢江南大学食品系陆乃彦副教授及实验团队提供蛋白样品中Na+浓度的定量检测，王小元教授给予的相关生物学原理的分析和提示，以及辅仁高中沈唯军博士对数据处理的大力支持。