“细胞质壁分离及自动复原”探究实验设计与实施

陈忠亮 唐蓓蓓 马会放

摘要：以紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞为材料，用Na₂MoO₄和ATP混合液处理已发生质壁分离的细胞，通过观察液泡颜色变化和质壁分离复原状态，推测出离子通过主动运输进入细胞导致细胞渗透压升高细胞吸水，质壁分离自动复原。细胞在质壁分离下加入Na₂MoO₄和ATP混合液，实验结果显示，质壁分离的细胞先被染成蓝色，然后才渐渐看到细胞出现质壁分离及自动复原。

关键词：主动运输，质壁分离自动复原，生物学实验

中图分类号Q-331文献标志码：B

1 课题研究的背景与意义

离子跨膜运输和质壁分离复原是高中生物学的重要概念。对该内容的学习时，教师一般以讲授为主，辅以图片，因此学生缺乏对这一重要概念的感性认识，无法真正理解。如果教师设计简单易行的实验，使学生真实地看到离子进入细胞引起细胞质壁分离后自动复原的现象，有助于学生理解并建构这一重要概念。

在中学生物学实验中，“质壁分离及复原实验”选用的洋葱外表皮细胞含有大量花青素。植物花青素可作为天然酸碱指示剂，当离子跨膜运输后导致细胞内酸碱环境改变，会引发花青素变色。学生制作临时装片，在质壁分离实验的基础之上继续操作步骤即可实施实验，并观察现象。

2 实验原理

花青素可作为天然酸碱指示剂，在酸性环境中偏红色，在碱性环境中偏蓝色。紫色洋葱外表皮细胞的细胞液pH偏酸性而使液泡呈现紫红色。无机盐的种类很多，其中钠离子和钼（Mo）离子是植物细胞必需的微量元素，植物吸收钼酸钠是主动运输的过程。Na₂MoO₄是强碱弱酸盐，质量分数为5%的水溶液在25℃、pH为9～10时，溶液颜色为无色透明。钼酸钠水溶液和ATP溶液无色透明，不会对结果产生颜色干扰。用物质量浓度0.01mol/L的Na₂MoO₄和5x10^-11ATP混合液处理紫色洋葱外表皮细胞，可在显微镜下观察到液泡颜色由紫红逐渐变成蓝色。

3 实验材料及用具

紫色洋葱鳞片叶，物质量浓度为0.01mol/L的Na₂MoO₄溶液，5x10^-11ATP，质量浓度0.3g/mL的蔗糖溶液，清水，刀片，镊子，微量移液器，载玻片，盖玻片，吸水纸，光学显微镜。

4 思路设计

洋葱外表皮细胞紫色液泡的变色速度與钼酸钠溶液的浓度呈正相关。如果细胞都发生变色，可能影响其本身的活性。根据pH使细胞中花色素的变色原理，pH逐渐增大，细胞液呈碱性，会使一部分酶失活，影响细胞的正常代谢。因此本实验选用钼酸钠溶液的物质量浓度为0.01mol/L。用物质量浓度0.01mol/LNa₂MoO₄和5x10^-1ATP混合液处理质壁分离的细胞，观察质壁分离的细胞细胞液颜色的变化和细胞质壁分离自动复原的先后时间顺序。

5 实验步骤

（1）制作洋葱鳞片叶外表皮的临时装片。

（2）处理细胞：用胶头滴管滴取质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液，在盖玻片的一侧滴加，另一侧用吸水纸吸引。观察细胞是否已经发生质壁分离。

（3）取已经发生质壁分离细胞的临时装片，用微量移液器吸取200UL物质量浓度为0.01mol/L的Na₂MoO₄和5x10^-11ATP的混合液，在盖玻片的一侧分次滴加，另一侧用吸水纸吸引，用光学显微镜观察细胞变蓝的位置和质壁分离自动复原的先后。

6 实验结果

用0.01mol/L Na₂MoO₄和5x10^-11ATP的混合液处理质壁分离的细胞，若看到质壁分离的细胞的细胞液先被染成蓝色。然后，才渐渐看到细胞出现质壁分离自动复原，提示已经发生质壁分离的细胞，由于离子的进入导致细胞渗透压升高，细胞吸水，质壁分离自动复原。

7 实验结果分析及实验讨论

7.1 结果分析

钼酸钠和ATP的混合液处理洋葱外表皮细胞观察颜色及复原规律。从细胞的颜色变化规律来看，开始是浅紫色，后逐渐变成深紫色，再变成天蓝色，最后成为深蓝色。从复原的规律来看，细胞液先变蓝，之后细胞开始渐渐质壁分离复原。并可隐约看出有一些细胞是在细胞壁和原生质层的间隙先变蓝，之后才出现细胞液变成蓝色，这可能与撕取细胞时细胞液内容物溢出有关。通过重复实验也发现，出现蓝色以及自动复原的现象并不是普遍存在的，有的细胞能观察到的，而有的细胞则不能，这可能与细胞个体差异有关。

因为离子跨膜速度很快，因此采用高倍物镜观察，可以清楚细致地看到细胞微观变化，才能得出细胞变化规律。通过观察多个细胞的规律，可发现在部分细胞变化中确实出现由于离子进入细胞导致渗透压升高细胞吸水，质壁分离自动复原的现象。

7.2 实验讨论

7.2.1 实验注意事项

实验应选取颜色明显的且具有大液泡的成熟紫色洋葱表皮细胞，选用的蔗糖溶液浓度不能过高，以免造成细胞失水过多死亡;注意引流动作要领，保证细胞完全均匀地浸入蔗糖溶液或清水中。使用刀片及镊子等尖锐器具要小心，用后妥善安放。

7.2.2实验材料的选择

最常用的实验材料是紫色洋葱鳞片叶，紫色大液泡十分明显，能方便地观察到质壁分离及复原的过程。所选择材料都必须是活细胞，因为只有活细胞的原生质层才具有选择透过性，否则将不会出现质壁分离和复原的现象。

未选择紫色洋葱内表皮细胞作材料，实验效果差，其原因是所选择的植物细胞，细胞液无颜色，因此无法清楚地观察质壁分离和复原现象，并不是不会发生质壁分离和复原。

7.2.3 试剂种类的选择

使细胞发生质壁分离的试剂不止蔗糖溶液，其他的对细胞没有毒害作用的溶液也可以。常用的试剂是质量浓度0.3g/mL的蔗糖溶液，用该浓度的蔗糖溶液做分离试剂时，细胞发生质壁分离和复原的速度比较缓慢，便于观察变化过程。

7.2.4试剂浓度的选择

试剂的浓度影响细胞质壁分离的速度，试剂浓度越高，发生质壁分离的速度越快，但试剂浓度过高，细胞会过度失水而死亡，无法复原。所用试剂浓度过低，导致质壁分离过慢，影响对实验结果的观察。

7.2.5 引流

在显微镜载物台上进行引流换液操作，不要一次滴液太多，以免将细胞冲出。

8 实验应用在教学中的建议

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》在谈到细胞生物学内容教学时，要求让学生理解物质的统一性，以及细胞中物质变化、能量变化和信息变化三者的统一性。教师在教学中要组织好各种观察、实验等探究性学习活动，帮助学生增加感性认识，使学生掌握科学研究的方法并熟练相关的操作技能。新课程还要求生物学的教学要注重与现实生活的联系，教师引导学生通过实践、实验，亲身体验和观察生活中的实例，培养学生总结归纳的能力，并且促进学生对相关概念的理解与建构。

本实验中实验材料易得，Na₄MoO₄溶液相对安全无毒害，且实验操作简单，在短时间内就可观察实验现象。因为所用实验材料及操作与传统“植物细胞的质壁分离及复原”实验基本相同，教师可以把两个实验合并在一节实验课进行，同时观察植物细胞的吸水失水及离子跨膜运输引起质壁分离自动复原。这样既增加了课堂趣味性，也锻炼了学生的动手动脑能力。