琼脂块实验探究

对细胞大小与物质运输的关系实验的研究 湖南省郴州市第一中学高三 258 班 彭 程 湖南省郴州市第三中学高三 10 班 何慧玲 李燕玲 夏培 智 1 1 问题的提出问题的提出 细胞大小与物质运输的关系实验 是将含酚酞的 边长分别为 1 2 3cm 的琼脂块在 NaOH 溶液中浸泡 10 分钟 观察 NaOH 扩散的深度 实验结果是 NaOH 在不同边长的琼脂块 中扩散的深度一致 约为 0 5cm 教材试图将这一模拟实验的结果迁移到细胞以解释细胞不能无限长大的原因 得出的 实验结论是 1 边长不同的琼脂块中 NaOH 的扩散速度一致 2 琼脂块的边长越大 表 面积与体积之比值越小 NaOH 扩散的体积与整个琼脂块的体积之比值越小 3 通过模拟 实验可以看出 细胞体积越大 其相对表面积越小 细胞的物质运输效率就越低 如果细 胞太大 细胞核的 负担 就会过重 在对实验结果进行分析讨论时 我们产生了疑问 细胞是由小长大的 有足够时间让 物质从细胞外围扩散到细胞中心或反向扩散到细胞外围 如果把实验时间延长 较大的琼 脂块的 NaOH 扩散的体积与整个琼脂块的体积之比值不就可以增加吗 琼脂块没有类似细胞 膜的控制物质进出的边界 教材所述实验结论强调细胞的物质运输效率 而实验本身及教 材所述实验结论却没有涉及到在物质运输中起关键作用的细胞膜 模拟实验结果跟细胞生 命活动的平行关系明显吗 我们感到此实验的情境与结果跟活细胞及其物质运输有较大区别 模拟实验与真实的 细胞生命活动之间的平行关系不够明显 难以充分说明细胞不能无限长大的主要原因 教 材的实验分析不够全面 不够深刻 有待完善 当然 教材编者出于整体的编写思路 无 需对一个小局部全面着力 另外 不把实验分析详细或全面表述出来也是一种编教科书的 技巧 确实应该给学生留下思考 分析的空间 由教师引导学生完成实验分析 2 2 主要的研究方法主要的研究方法 2 2 1 1 文献法文献法 上网搜索 浏览相关资料 下载典型资料 查阅大学教材 处理 分 析获取的资料 确定研究方向和实验方案 2 2 2 2 实验探究实验探究 2 2 2 2 1 1 第一次实验 将 30g 琼脂通过加热煮沸溶于 1000mL 水中 再加入 1g 酚酞试 剂 注入大小和形状不同的容器中冷却 制成不同大小和形状的琼脂块 将琼脂块浸泡在 0 1g mL 的 NaOH 溶液中 10 分钟后取出 迅速吸干表面的 NaOH 溶液 在与表面垂直的方 向切开琼脂块 测量 NaOH 扩散深度的平均值 2 2 2 2 2 2 第二次实验 将 2 个直径 5cm 高 8cm 的琼脂柱浸入 NaOH 溶液中 10 分钟 取出各自横切成 3cm 和 5cm 高的两段 切口处为上端 测量 NaOH 扩散深度 将 3cm 的两 段置于空气中 5cm 的两段放回 NaOH 溶液中 10 分钟后取出切掉上端 0 7cm 的一段 测 量 NaOH 扩散深度 同时测量置于空气中的 3cm 高的一段的 NaOH 扩散深度 3cm 高的两段 继续置于空气中 约 4cm 的两段放回 NaOH 溶液中 10 分钟后取出切掉上端 0 7cm 的一段 测量 NaOH 扩散深度 同时测量置于空气中的 3cm 高的一段的 NaOH 扩散深度 2 2 2 2 3 3 第三次实验 基本上为第二次实验的重复 验证实验结果的可靠性 3 3 研究结果研究结果 3 3 1 1 实验结果实验结果 浸泡 10 分钟 NaOH 在不同形状琼脂块中扩散的深度是一致的 平 均值 0 5cm 第一次实验时 测量后 50 分钟清理桌面时 测得在未再浸泡的琼脂块中 NaOH 继续扩 散的深度达到 1 3cm 即浸泡时的扩散速度为 0 05cm min 不再浸泡的琼脂块内 NaOH 扩 散速度为 0 016cm min 第二次实验和第三次实验测得的数据虽有差异 但 NaOH 扩散深度的变化趋势相同 即 NaOH 继续扩散的速度逐渐减慢 在置于空气中的琼脂块里 NaOH 继续扩散的深度比在放回 NaOH 溶液的琼脂块里的慢 第一次实验测得第 10 60 分钟时段的扩散深度是置于空气中 继续扩散的深度 没有对照测量把琼脂块放回 NaOH 溶液后的 NaOH 继续扩散深度 故设计 第二次实验对比观察不同条件下的 NaOH 扩散深度 第一次实验 第 10 分第 20 分第 30 分第 40 分第 60 分 在 NaOH 溶液中扩散深度0 5cm 在空气中继续扩散的深度 1 3cm 第二次实验 5cm 段在 NaOH 溶液中扩散深度0 5cm0 8cm1cm 3cm 段在空气中继续扩散的深度 0 7cm0 85cm 第三次实验 5cm 段在 NaOH 溶液中扩散深度0 6cm0 9cm1 0cm 5cm 段在空气中继续扩散的深度 1 11 3 3cm 段在空气中继续扩散的深度 0 8cm0 9cm1 01 2 3 3 2 2 该实验的相关报道该实验的相关报道 用细胞大小与物质运输的关系 实验 分析 疑问 无限 长大等为关键词在百度和谷歌进行搜索 专业杂志和网络发表的相关作品可以分为两类 1 实验操作类 包括实验操作演示的视频和对实验操作的小改进 2 教学设计类 对实验操作的改进 有实验材料的替换和琼脂块形状的改变等 如用果冻替换琼脂块 和按照碘遇淀粉变蓝色的原理替换实验材料 改进后的实验操作有操作方面的所谓优点 也有缺点 由于教材介绍的实验操作简便可行 各种 改进 的必要性不大 例如 东北 师大的王秀莉博士因细胞多为球状而建议把琼脂块改为琼脂球 1 改进 的理由是不充 分的 因为细胞的形态多种多样 琼脂块的形状并不重要 重要的是在与琼脂块表面垂直 的方向上测量 NaOH 的扩散深度 所以 王博士的 改进 没有价值 各种教学设计在实验分析环节都是照本宣科 并没有对实验分析环节提出疑问或见解 仅有姜永均老师 2 指出该实验只是模拟了物质出入细胞的自由扩散方式 而作为活细胞有 选择性地控制物质出入的主要方式 主动运输 在实验中则没能体现出来 致该实验存 在不足之处而受到质疑 姜老师建议巧妙地设置问题 呈现给学生 引导学生的思维发散开去 将书本中的前 后知识联系起来 融会贯通 使他们洞悉现象与本质的差异 理解实验的科学性原则 姜 老师的观点与我们的看法有相同之处 但姜老师在文中没有对实验结果进行深刻分析 没 有指出引导学生进行实验分析的具体方法 我们对该实验的研究是独到的 对该实验的初 步分析是一种创新见解 3 3 3 3 实验现象中的疑点实验现象中的疑点 在 NaOH 溶液中浸泡 10 分钟 NaOH 在琼脂柱中的扩散深度 达到 0 5cm 切成两段 一段在 NaOH 溶液中再浸泡 10 分钟 一段置于空气中 NaOH 在 两截琼脂柱中继续向内扩散 而琼脂柱的外围红色消褪形成本色环 该浅色环的宽度还会 随时间的延续而增加 这一现象用空气中的 CO2进入琼脂柱来解释行不通 4 4 分析与讨论分析与讨论 4 4 1 1 模拟实验与真实的细胞生命活动之间的平行关系不太明显模拟实验与真实的细胞生命活动之间的平行关系不太明显 4 4 1 1 1 1 活细胞的边界细胞膜有控制物质进出细胞的作用 琼脂块没有这样的边界 NaOH 溶液在琼脂块中的扩散只相当于细胞内的物质的扩散运输 该实验的结果不能说明细 胞表面之细胞膜的重要作用 4 4 1 1 2 2 活细胞在细胞质流动时的胞内物质扩散运输的速度会增加 细胞内的细胞器 还有特殊的物质转运方式 4 4 1 1 3 3 观察实验结果的方法与指标是测量 NaOH 在一定时间内的扩散深度 也可得 出 细胞太大 物质从细胞外围部分远距离运送到细胞中心部分有困难 的结论 但这一 结论又会产生疑问 因为细胞是由小长大的 持续生活的 细胞长到较大体积的过程中 细胞中心的物质有足够时间扩散到外围部分 外围部分的物质也能扩散到细胞中心 12 5 小时后 即第二天清早 在各个琼脂块中 NaOH 都扩散到中心 细胞质的流动 还可以使这种胞内的物质运输加速 可见 物质在琼脂块中的扩散与在细胞中的扩散是有差异的 用模拟实验的情境与结 果解释细胞为什么不能无限长大缺乏较强的说服力 4 4 2 2 模拟实验难以充分说明细胞不能无限长大的主要原因模拟实验难以充分说明细胞不能无限长大的主要原因 物质运输效率 的说 法并不能使我们认识和理解问题的实质 与其说细胞太大物质运输效率低 不如说细胞膜 相对于细胞的需要而言 负担 重 因为细胞越大 需要通过细胞膜吸收和排出的物质越 多 细胞的大小变化对细胞膜的物质运输速度 单位时间内通过单位面积细胞膜的物质量 的影响不大 而细胞膜的物质运输速度主要受载体 能量和浓度差等因素的影响 是有限 度的 即在除了细胞大小不同的其他条件相同的情况下 物质通过细胞膜的自由扩散 协 助扩散和主动运输的速度是一定的 第二 三次实验的结果显示 浸泡在 NaOH 溶液中的琼脂柱 NaOH 在其内扩散速度快 取出后置于空气中时 NaOH 在其内扩散速度减慢 这不仅说明 NaOH 的扩散速度要靠浓度 差维持 也说明在细胞膜允许物质快速通过的情况下 跨过细胞膜到达细胞膜内侧的物质 才能以较快速度向细胞中心扩散 证明细胞膜控制下的物质进出细胞的速度有限会影响细 胞内部的物质扩散 传递的速度 有些细胞表面形成很多突起 例如人体小肠粘膜细胞的 微绒毛大大增加了细胞膜的总面积 也说明细胞膜在决定细胞与周围环境交换物质的效力 时起决定作用 以 表面积 体积 之比值来分析细胞不能无限长大 主要原因是细胞体积增大 细 胞表面积与体积之比值减小 而物质通过细胞膜的运输速度有限 细胞膜对细胞的物质供 应与废物排出方面的负担加重而 不堪重负 模拟实验的情境 结果与教材的结论不能 很好地印证这一主要原因 如果以此模拟实验为依据来讨论 表面积 体积 之比跟细胞 物质运输效率的关系 得出前文提及的教科书所述结论 是会给师生留下疑惑的 4 4 3 3 细胞大小及其分析细胞大小及其分析 3 3 各种细胞的体积相差较大 细胞核的大小悬殊却不大 一个细胞核内所含的遗传信息量是有一定限度的 能控制细胞质的活动也是有限度的 因 此一个细胞核能控制细胞质的量也必有一定限度 细胞的体积不能无限长大 在体积较大 的原生动物细胞中出现大核与小核的分工 以及动物细胞的多核现象可能与否缓冲核质比 例有关 细胞内物质的交流运输与细胞体积的关系 细胞内的物质从一端向另一端运输或扩散 是有时间与空间关系的 假如细胞体积很大 势必影响物质传递与交流的速度 细胞内的 生命活动就不能灵敏地调控和缓冲 有一些原生动物细胞的伸缩泡等可能起着对细胞内环 境进行调节的作用 细胞类型支原体细胞细菌细胞动植物细胞原生动物细胞 直径 m0 1 0 31 220 30 10 50 数百至数千 特殊细胞鸵鸟卵细胞人卵细胞人白细胞人红细胞 直 径5cm 200 m 3 4 m 7 m 卵细胞的体积偏大 是因为早期胚胎发育是受储存在卵细胞中的信使 RNA 与功能蛋白 调控的 并利用预先储存在卵细胞细胞质中的养料 因此 卵细胞生长时逐渐在细胞质中 储存了大量 mRNA 蛋白质与养料 同时卵细胞与周围环境交换物质很少 卵细胞的体积大 主要因细胞质扩增所致 细胞的分化 分工也能部分的调整细胞大小与细胞结构 功能之间的的关系 提高细 胞的物质运输效率 如人的红细胞的细胞核和一些细胞器退化 腾出了容纳血红蛋白的空 间 细胞体积相对变小 缩短了 O2在细胞内的运输距离 5 5 结论与建议结论与建议 5 5 1 1 实验操作的关键实验操作的关键 材料相同的琼脂块 不论大小 形状如何 在同一时段内 NaOH 在其内的扩散速度是相同的 实验操作时对琼脂块的大小形状不必严格规定 关键是 从与表面垂直的方向测量 NaOH 的扩散深度 每个琼脂块可选多个点测量取平均值进行比较 然后取所有琼脂块的平均值 计算一系列大小不同的规则几何体如正方体的相关比值 表 面积 体积 NaOH 扩散体积 整个几何体的体积 结果见图 1 每班 1 2 个小组 节省材 料 用适宜高度与直径的琼脂柱按前文第二次实验的方法分两个时间段做实验 两次测 量数据 比较不同时段内和不同条件下的 NaOH 扩散速度 能够说明细胞不能无限长大的主 要原因 如细胞膜起的关键作用 5 5 2 2 严谨地进行实验分析严谨地进行实验分析 细胞的物质运输效率 这一说法存在疑点 应从两个 不同角度进行分析 即 1 单位时间内物质在细胞内的扩散深度势必影响物质传递与交 流的速度 细胞过大 细胞内的物质转运空间增大 速度变慢 生命活动就不能灵敏地调 控和缓冲 3 这限制了细胞的膜质比 核质比 即细胞膜总面积与细胞体积之比值关系 不能看着细胞不能无限长大的因 应看着细胞不能无限长大的果 2 联系物质跨膜运输 的方式 立足于细胞膜的物质转运能力是有限的 分析大小不同的细胞的细胞膜相对于细 胞需要的负担大小 得出更加科学的结论 5 5 3 3 构建几何模型直观地解释细胞不构建几何模型直观地解释细胞不 能无限长大的主要原因之一能无限长大的主要原因之一 如图 2 所示 大小不同的圆代表大小不同的细胞 各截取 面积相同的 极小的细胞膜 构建顶点为细 胞中心 圆心O 的锥体 由于锥体的体积等 于底面积与高的乘积的 1 3 两锥体的体积差 异由锥体的高度 近似于细胞半径 决定 所以 局部细