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種子在無氧條件下萌發(fā)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與探究

2017-07-31 11:03:26趙星杰
生物學(xué)通報(bào) 2017年9期
關(guān)鍵詞:石灰水瓶內(nèi)火柴

孫 娟 趙星杰

(北京市首都師范大學(xué)附屬回龍觀育新學(xué)校 北京 102208)

種子萌發(fā)是生活中常見的生命現(xiàn)象,7年級生物學(xué)教材(上冊)的“種子萌發(fā)條件的探究”實(shí)驗(yàn)提出種子萌發(fā)既受到內(nèi)部條件限制,也受到外部環(huán)境影響的觀點(diǎn)。而且,通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)種子萌發(fā)需要適宜的溫度、一定的水分和充足的空氣[1]。其中,種子在缺乏空氣或氧氣條件下的萌發(fā)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件較難控制。開展此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的學(xué)校,一般是按照教材設(shè)計(jì),直接采用密封瓶完成。然而,瓶內(nèi)殘留的氧氣也可以被細(xì)胞利用,這將造成一定偏差;若將種子用水淹沒后進(jìn)行無氧萌發(fā)實(shí)驗(yàn),水本身也會(huì)造成一定干擾;若使用氮?dú)馀懦鯕?,則存在價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等問題。

由此可見,無氧瓶的制作不是過于復(fù)雜就是未能排盡瓶內(nèi)殘余氧氣。若僅僅制作一個(gè)密閉空間進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn),則說服力不強(qiáng)。除此之外,萌發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,很少有人再去探究種子在此過程產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物。

高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》模塊中,通過細(xì)胞呼吸的探究實(shí)驗(yàn),介紹酵母菌細(xì)胞呼吸的方式,并驗(yàn)證其有氧呼吸和無氧呼吸的終產(chǎn)物。此外,教材還指出多數(shù)植物細(xì)胞無氧呼吸的終產(chǎn)物都是酒精和二氧化碳,少數(shù)是乳酸[2],但并沒有通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

以上2部分都是中學(xué)生物學(xué)的重要內(nèi)容,且關(guān)系密切。因此,筆者將初中階段“種子在無氧條件下的萌發(fā)”實(shí)驗(yàn)和高中階段“細(xì)胞無氧呼吸”實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合,通過物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)知識的綜合應(yīng)用,設(shè)計(jì)了一種新式無氧瓶,探究種子在無氧條件下萌發(fā)的過程以及無氧條件萌發(fā)的代謝產(chǎn)物。

學(xué)生通過文獻(xiàn)檢索、方案設(shè)計(jì)和誤差分析等步驟,完成了這項(xiàng)綜合實(shí)驗(yàn)。在探究過程中,學(xué)生將初、高中知識和各學(xué)科知識有機(jī)結(jié)合,同時(shí),學(xué)生的質(zhì)疑精神和探索的勇氣也得以充分展現(xiàn),學(xué)科素養(yǎng)和綜合能力都有所提升。

1 實(shí)驗(yàn)原理

為了制造完全無氧的環(huán)境,選擇密閉性良好的廣口瓶和橡膠塞作為基礎(chǔ)裝置,并加以改造(圖1),其核心是通過火柴燃燒耗盡瓶內(nèi)氧氣,并通過新鮮蘋果片被氧化后的顏色變化監(jiān)測瓶內(nèi)的氧氣殘留情況,具體操作如下:1)瓶底鋪適量脫脂棉,滴入適量水分,將種子均勻地放置在脫脂棉上;2)為了收集種子萌發(fā)過程中的氣體代謝產(chǎn)物,將瓶塞打孔后接入2個(gè)玻璃管,玻璃管末端接橡膠管并用夾子夾??;3)利用熱熔膠在瓶塞上固定3~5枚火柴棒,并在瓶內(nèi)放置1個(gè)新鮮蘋果片;4)點(diǎn)燃火柴后,迅速將瓶塞塞入瓶口,火柴燃燒消耗瓶內(nèi)氧氣,氧氣耗盡后,火柴自動(dòng)熄滅,瓶內(nèi)殘余的微量氧氣會(huì)使蘋果片從白色變?yōu)闇\黃色,之后顏色不再變化;5)將所有縫隙用凡士林涂抹,以保證瓶內(nèi)外不發(fā)生氣體交換。

圖1 無氧瓶設(shè)計(jì)原理圖

為了檢測種子萌發(fā)后的代謝產(chǎn)物,利用排水集氣法收集瓶內(nèi)氣體,并使用澄清石灰水檢測二氧化碳。同時(shí),按照高中生物學(xué)《分子與細(xì)胞》中介紹的步驟操作,使用重鉻酸鉀和濃硫酸檢測種子無氧萌發(fā)過程中有無酒精生成[2]。若有二氧化碳生成,則澄清石灰水變渾濁;若有酒精生成,則酸性重鉻酸鉀溶液變?yōu)榛揖G色。反應(yīng)原理如下:

2 材料與方法

2.1 材料 廣口瓶、橡膠塞、玻璃管、火柴棒、黃豆種子等;新鮮蘋果、脫脂棉、熱熔膠、澄清石灰水、濃硫酸、重鉻酸鉀、凡士林、蒸餾水等。

2.2 方法 首先,在無氧組和有氧組(不加蓋瓶塞)的脫脂棉上滴加適量蒸餾水,在2組脫脂棉上各放12粒飽滿、無破損的干黃豆(萌發(fā)率約為85%);其次,按照實(shí)驗(yàn)原理,在無氧組的廣口瓶中放置1個(gè)新鮮蘋果片,將火柴點(diǎn)燃后迅速塞入瓶內(nèi)(圖2);最后,將無氧組和有氧組置于室溫(約25℃)條件下萌發(fā),每天監(jiān)測無氧瓶中蘋果片顏色變化,并記錄種子的萌發(fā)情況。

圖2 火柴燃燒耗盡廣口瓶內(nèi)氧氣

3 結(jié)果與討論

3.1 無氧組與有氧組種子萌發(fā)結(jié)果 在適宜條件下,有氧組黃豆種子全部萌發(fā),且隨著時(shí)間推移不停生長。然而,與預(yù)期不同的是,無氧瓶內(nèi)的種子也有50%左右在吸水之后長出一定長度的胚根,但是最長也在7 mm以內(nèi),并且3 d后停止生長,多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)都得到類似結(jié)果。

由此推測,種子在無氧環(huán)境中,利用細(xì)胞的無氧呼吸產(chǎn)生少量能量,以供應(yīng)種子代謝,但是,無氧呼吸產(chǎn)生的能量較少,無法像有氧組中的種子一樣正常生長。

為進(jìn)一步確認(rèn)種子是否進(jìn)行了無氧呼吸,收集無氧環(huán)境中種子萌發(fā)的代謝產(chǎn)物進(jìn)行檢測。資料顯示,高等植物無氧呼吸會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和酒精[2],反應(yīng)式如下:

3.2 種子無氧萌發(fā)代謝產(chǎn)物二氧化碳的檢測利用排水集氣法將無氧瓶內(nèi)氣體壓入澄清石灰水中,澄清石灰水變渾濁。但火柴燃燒也會(huì)產(chǎn)生二氧化碳,所以種子萌發(fā)前無氧瓶內(nèi)的二氧化碳含量也需要檢測。在對照實(shí)驗(yàn)中,澄清石灰水也變渾濁。結(jié)果顯示,種子無氧萌發(fā)前、后石灰水渾濁度較相似,所以仍需進(jìn)一步采用二氧化碳傳感器等更加精密的儀器進(jìn)行檢測,以確定無氧呼吸過程中二氧化碳含量的變化。

3.3 種子無氧萌發(fā)代謝產(chǎn)物酒精的檢測 將無氧瓶中的黃豆掰開,可以聞到其散發(fā)出濃郁的酒精氣味,進(jìn)一步利用酸性重鉻酸鉀對酒精含量進(jìn)行檢測。取適量濃硫酸與重鉻酸鉀的混合液,滴加至種子表面,30 s后用清水沖洗干凈,觀察種子顏色變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,無氧組的種子表面明顯變綠,而未進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)的黃豆種子幾乎沒有任何變化。而且,胚根越長,種子酒精含量越高,說明其無氧呼吸程度越大。為避免蘋果在無氧瓶中產(chǎn)生的酒精干擾實(shí)驗(yàn),將煮熟的黃豆置于無氧瓶中萌發(fā)。經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn),煮熟后的黃豆未明顯變綠,說明熟種子在無氧瓶中未產(chǎn)生酒精,也幾乎未吸收蘋果產(chǎn)生的酒精;按照同樣操作處理有氧組種子(有氧、室溫、避光條件下萌發(fā)),種子表面無明顯變化(表1)。

表1 無氧組與有氧組酒精檢測結(jié)果

結(jié)果說明,活種子在無氧條件下確實(shí)能夠進(jìn)行無氧呼吸,以產(chǎn)生少量能量供應(yīng)細(xì)胞代謝活動(dòng)使用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由以上實(shí)驗(yàn)可知,黃豆種子在無氧條件下不能萌發(fā)或只能長出很短的胚根,雖然細(xì)胞通過無氧呼吸產(chǎn)生一定的能量,但其尚不足以滿足種子的能量需求。同時(shí),由于無氧呼吸會(huì)積累酒精,酒精對植物有毒害作用,故種子在無氧環(huán)境中很快停止生長直至死亡。據(jù)此推測,無氧呼吸可能是種子在無氧環(huán)境中的一種應(yīng)激能力,雖然供能量較小且時(shí)間短暫,卻有利于提高種子在特殊環(huán)境下的生存幾率。

利用火柴燃燒消耗氧氣的特點(diǎn)制作無氧瓶,并進(jìn)行無氧萌發(fā)實(shí)驗(yàn),全程使用新鮮的蘋果片作為指示,時(shí)刻都能觀察到瓶內(nèi)是否有氧氣進(jìn)入。最后,通過氣味判定和化學(xué)方法檢測種子內(nèi)酒精含量,操作簡單且現(xiàn)象明顯。

無氧瓶設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用物理學(xué)、化學(xué)與生物學(xué)知識,加強(qiáng)了學(xué)科間的關(guān)聯(lián)性,其價(jià)格低廉、操作簡單,且增加了初、高中生物學(xué)知識間的銜接性,在中學(xué)教學(xué)中具有極大的推廣價(jià)值。

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