探究植物细胞质壁分离及自动复原的情况

徐婧宇

摘 要：有大液泡的植物细胞能在一定条件下发生质壁分离及复原现象。若植物细胞能够自动吸收外界溶液中的物质，已发生质壁分离的植物细胞就可以自动复原。反复使用不同浓度的硝酸钾溶液进行实验，并无法成功展示质壁分离复原现象。寻找能使自动复原现象明显的溶液才具有推广学生实验的教学意义。将洋葱外表皮细胞直接放在6.25%的甘油溶液中，观察质壁分离及自动复原情况，效果非常明显。

关键词：洋葱外表皮细胞;质壁分离;质壁分离自动复原;KNO3溶液;甘油溶液;适宜浓度

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 收稿日期：2019-01-07 文章编号：1674-120X（2019）10-0103-02

一、实验探究背景

（一）实验原理

植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，植物细胞壁的伸缩性小于原生质层的伸缩性。当细胞处于高浓度溶液中时，细胞液的水分流向外界溶液中，原生质层收缩，发生质壁分离现象;当已发生质壁分离的细胞处于低浓度溶液或清水中时，外界溶液中的水分流向液泡中，液泡体积增大，发生质壁分离复原。

（二）教材实验分析

教材实验通过人为改变外界溶液浓度，先滴加30%的蔗糖溶液，使植物细胞发生质壁分离，后滴加清水，使植物细胞发生质壁分离复原。

优点：实验操作简单，现象明显，能很好地帮助学生理解和验证实验原理。在简单明了的操作中，能很好地增强学生实验动手能力，提高学生实验操作技能。实验现象前后对比鲜明，能直观地观察效果，增强学生对实验的感知能力。

不足：质壁分离和质壁分离复原的过程是在不同条件下进行，而不同条件是人为创造的。实验过程没有连续性，观察的直观性和连续性不强。在显微镜载物台上进行操作，蔗糖溶液容易污染和损坏显微镜，尤其是物镜镜头。

反思和探讨：若植物细胞能够自动吸收外界溶液中的物质，使细胞液浓度自动增大，植物细胞是否就能发生质壁分离自动复原呢？

实践和疑惑：针对这一可能性，人们讨论最多的是使用一定浓度的硝酸钾溶液。理论依据为植物细胞能通过主动运输吸收和K+，从而使细胞液浓度增大。大量参考资料也支持这一观点。我通过反复查阅，不断进行实践，以寻找KNO3溶液的最合适浓度。在多次实验过程中，并无法成功验证各论文和参考资料中提到的明显的质壁分离复原现象。分析原因，可能与主动运输需要消耗能量、主动运输过程速度较慢等有关系。

由于现象不明显，實际操作成功率极低，不适宜在课堂进行推广和用于教学示范。寻找更合适的溶液和溶液浓度，就成为该实验探讨和创新的主要内容。

二、实验探究过程

（1）用不同浓度的KNO3溶液反复实验，没有得到预期效果。通过使用不同浓度的KNO3溶液，经过多次重复实验，通过对同一装片进行跟踪观察和拍摄，实验结果呈现如图1所示。

图1呈现的是使用1mol/L的KNO3溶液连续观察拍摄的结果。在这一浓度下，质壁分离现象直观、明显，与实验预期一致。但经过1～2个小时持续观察，不能成功观察到明显的质壁分离自动复原现象。

（2）用不同浓度的甘油溶液反复实验，最终发现，6.25%的甘油溶液使质壁分离复原的效果最好。

通过使用不同浓度的甘油溶液，经过多次重复实验，质壁分离效果明显。在用不同浓度的甘油溶液进行实验的情况下，质壁分离复原情况不相同。探索发现，用6.25%的甘油溶液进行实验，质壁分离及自动复原情况最理想。通过对同一装片进行跟踪观察和拍摄，实验结果呈现如图2所示。

图2呈现的是使用6.25%的甘油溶液连续观察拍摄的结果。在这一浓度下，质壁分离及质壁分离自动复原现象均非常明显。滴加6.25%的甘油溶液，迅速发生质壁分离，与实验预期一致。3～4min后，能观察到明显质壁分离复原情况，经过12min左右，洋葱外表皮细胞紫色大液泡充盈，质壁分离复原使细胞恢复实验前的状态。

三、实验改进及分析

（1）浓度的确定：逐步稀释甘油，50%—25%—12.5%—10%—6.25%，发现6.25%浓度的甘油下质壁分离及自动复原情况最理想。

（2）新仪器的使用：传统显微镜无法做到跟踪拍摄和动态播放，数字显微镜可以呈现动态过程，在实验教学中具有很大的推广意义。

将洋葱鳞片外表皮细胞放入6.25%浓度甘油溶液中，迅速发生质壁分离（22：14），随后，细胞发生质壁分离自动复原，大约四分钟，可观察到明显现象（22：18）。随时间推移，大约12分钟，质壁分离复原到非常接近细胞原始正常情况（22：21、22：23、22：26）。通过显微镜动态拍摄，可观察到清晰明显的变化过程。

（3）实验过程的改进：依照教材流程，先滴加水，将细胞置于清水中，观察细胞正常情况后，滴加一定浓度的甘油溶液，观察质壁分离和复原情况，效果并不好。究其原因可能有两个：一是甘油有一定的黏稠度，很难使甘油迅速浸润整个装片;二是滴加的清水改变了甘油浓度，很难合理控制浓度，且无法找到理想的浓度。实验改进为将洋葱外表皮细胞直接放在甘油溶液中，观察质壁分离及自动复原情况。从明显质壁分离现象开始记录，效果非常明显。

（4）使用KNO3溶液和甘油溶液进行实验，呈现情况不同的原因分析：与细胞通过主动运输吸收KNO3溶液不同，甘油分子通过自由扩散进入细胞。速度比主动运输速度快，细胞液浓度增大的速度快，所以质壁分离复原现象明显。

四、实验创新意义

（1）发散学生思维，激励学生主动提出问题和探索问题，用哪种溶液现象更明显，哪个浓度更合适，等等。

（2）尽信书不如无书，面对习以为常的理论结论，我们要敢于怀疑，勇于提出不同想法，积极实践验证猜想。

（3）通过反复实践和探索，发现6.25%浓度的甘油溶液能使植物细胞发生质壁分离和质壁分离复原。实验效果明显。

（4）该实验探究和改进可以普遍用于学生实验的开展，并能有助于更好地培养学生的操作能力、观察能力和思维能力。

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