湖南省郴州市第一中學(xué)高三258班 彭 程
湖南省郴州市第三中學(xué)高三10班 何慧玲 李燕玲 夏培智
1 問題的提出
細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系實(shí)驗(yàn),是將含酚酞的,邊長分別為1、2、3cm的瓊脂塊在NaOH溶液中浸泡10分鐘,觀察NaOH擴(kuò)散的深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是NaOH在不同邊長的瓊脂塊中擴(kuò)散的深度一致,約為0.5cm。
教材試圖將這一模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果遷移到細(xì)胞以解釋細(xì)胞不能無限長大的原因,得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是:(1)邊長不同的瓊脂塊中,NaOH的擴(kuò)散速度一致。(2)瓊脂塊的邊長越大,表面積與體積之比值越小,NaOH擴(kuò)散的體積與整個(gè)瓊脂塊的體積之比值越小。(3)通過模擬實(shí)驗(yàn)可以看出,細(xì)胞體積越大,其相對表面積越小,細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸效率就越低;如果細(xì)胞太大,細(xì)胞核的“負(fù)擔(dān)”就會過重。
在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論時(shí),我們產(chǎn)生了疑問:細(xì)胞是由小長大的,有足夠時(shí)間讓物質(zhì)從細(xì)胞外圍擴(kuò)散到細(xì)胞中心或反向擴(kuò)散到細(xì)胞外圍,如果把實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長,較大的瓊脂塊的NaOH擴(kuò)散的體積與整個(gè)瓊脂塊的體積之比值不就可以增加嗎?瓊脂塊沒有類似細(xì)胞膜的控制物質(zhì)進(jìn)出的邊界,教材所述實(shí)驗(yàn)結(jié)論強(qiáng)調(diào)細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸效率,而實(shí)驗(yàn)本身及教材所述實(shí)驗(yàn)結(jié)論卻沒有涉及到在物質(zhì)運(yùn)輸中起關(guān)鍵作用的細(xì)胞膜,模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟細(xì)胞生命活動的平行關(guān)系明顯嗎?
我們感到此實(shí)驗(yàn)的情境與結(jié)果跟活細(xì)胞及其物質(zhì)運(yùn)輸有較大區(qū)別,模擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)的細(xì)胞生命活動之間的平行關(guān)系不夠明顯,難以充分說明細(xì)胞不能無限長大的主要原因,教材的實(shí)驗(yàn)分析不夠全面、不夠深刻,有待完善(當(dāng)然,教材編者出于整體的編寫思路,無需對一個(gè)小局部全面著力,另外,不把實(shí)驗(yàn)分析詳細(xì)或全面表述出來也是一種編教科書的技巧,確實(shí)應(yīng)該給學(xué)生留下思考、分析的空間,由教師引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)分析)。
2 主要的研究方法
2.1 文獻(xiàn)法 上網(wǎng)搜索、瀏覽相關(guān)資料,下載典型資料;查閱大學(xué)教材。處理、分析獲取的資料,確定研究方向和實(shí)驗(yàn)方案。
2.2 實(shí)驗(yàn)探究
2.2.1 第一次實(shí)驗(yàn) 將30g瓊脂通過加熱煮沸溶于1000mL水中,再加入1g酚酞試劑。注入大小和形狀不同的容器中冷卻,制成不同大小和形狀的瓊脂塊。將瓊脂塊浸泡在0.1g/mL的NaOH溶液中,10分鐘后取出,迅速吸干表面的NaOH溶液,在與表面垂直的方向切開瓊脂塊,測量NaOH擴(kuò)散深度的平均值。
2.2.2 第二次實(shí)驗(yàn) 將2個(gè)直徑5cm、高8cm的瓊脂柱浸入NaOH溶液中,10分鐘取出各自橫切成3cm和5cm高的兩段(切口處為上端),測量NaOH擴(kuò)散深度。將3cm的兩段置于空氣中,5cm的兩段放回NaOH溶液中,10分鐘后取出切掉上端0.7cm的一段,測量NaOH擴(kuò)散深度,同時(shí)測量置于空氣中的3cm高的一段的NaOH擴(kuò)散深度。3cm高的兩段繼續(xù)置于空氣中,約4cm的兩段放回NaOH溶液中,10分鐘后取出切掉上端0.7cm的一段,測量NaOH擴(kuò)散深度,同時(shí)測量置于空氣中的3cm高的一段的NaOH擴(kuò)散深度。
2.2.3 第三次實(shí)驗(yàn) 基本上為第二次實(shí)驗(yàn)的重復(fù),驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。
3 研究結(jié)果
3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 浸泡10分鐘,NaOH在不同形狀瓊脂塊中擴(kuò)散的深度是一致的,平均值0.5cm。
第一次實(shí)驗(yàn)時(shí),測量后50分鐘清理桌面時(shí),測得在未再浸泡的瓊脂塊中NaOH繼續(xù)擴(kuò)散的深度達(dá)到1.3cm。即浸泡時(shí)的擴(kuò)散速度為0.05cm/min,不再浸泡的瓊脂塊內(nèi)NaOH擴(kuò)散速度為0.016cm/min。
第二次實(shí)驗(yàn)和第三次實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)雖有差異,但NaOH擴(kuò)散深度的變化趨勢相同。即:NaOH繼續(xù)擴(kuò)散的速度逐漸減慢,在置于空氣中的瓊脂塊里,NaOH繼續(xù)擴(kuò)散的深度比在放回NaOH溶液的瓊脂塊里的慢(第一次實(shí)驗(yàn)測得第10~60分鐘時(shí)段的擴(kuò)散深度是置于空氣中繼續(xù)擴(kuò)散的深度,沒有對照測量把瓊脂塊放回NaOH溶液后的NaOH繼續(xù)擴(kuò)散深度,故設(shè)計(jì)第二次實(shí)驗(yàn)對比觀察不同條件下的NaOH擴(kuò)散深度)。
第一次實(shí)驗(yàn)
第10分
第20分
第30分
第40分
第60分
在NaOH溶液中擴(kuò)散深度
0.5cm
在空氣中繼續(xù)擴(kuò)散的深度
1.3cm
第二次實(shí)驗(yàn)
5cm段在NaOH溶液中擴(kuò)散深度
0.8cm
1cm
3cm段在空氣中繼續(xù)擴(kuò)散的深度
0.7cm
0.85cm
第三次實(shí)驗(yàn)
0.6cm
0.9cm
1.0cm
5cm段在空氣中繼續(xù)擴(kuò)散的深度
1.1
1.3
1.0
1.2
3.2 該實(shí)驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道 用細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系、實(shí)驗(yàn)、分析、疑問、無限長大等為關(guān)鍵詞在百度和谷歌進(jìn)行搜索,專業(yè)雜志和網(wǎng)絡(luò)發(fā)表的相關(guān)作品可以分為兩類:(1)實(shí)驗(yàn)操作類,包括實(shí)驗(yàn)操作演示的視頻和對實(shí)驗(yàn)操作的小改進(jìn);(2)教學(xué)設(shè)計(jì)類。
對實(shí)驗(yàn)操作的改進(jìn),有實(shí)驗(yàn)材料的替換和瓊脂塊形狀的改變等,如用果凍替換瓊脂塊和按照碘遇淀粉變藍(lán)色的原理替換實(shí)驗(yàn)材料。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作有操作方面的所謂優(yōu)點(diǎn),也有缺點(diǎn)。由于教材介紹的實(shí)驗(yàn)操作簡便可行,各種“改進(jìn)”的必要性不大。例如,東北師大的王秀莉博士因細(xì)胞多為球狀而建議把瓊脂塊改為瓊脂球[1],“改進(jìn)”的理由是不充分的,因?yàn)榧?xì)胞的形態(tài)多種多樣,瓊脂塊的形狀并不重要,重要的是在與瓊脂塊表面垂直的方向上測量NaOH的擴(kuò)散深度,所以,王博士的“改進(jìn)”沒有價(jià)值。
各種教學(xué)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)分析環(huán)節(jié)都是照本宣科,并沒有對實(shí)驗(yàn)分析環(huán)節(jié)提出疑問或見解。僅有姜永均老師[2]指出該實(shí)驗(yàn)只是模擬了物質(zhì)出入細(xì)胞的自由擴(kuò)散方式,而作為活細(xì)胞有選擇性地控制物質(zhì)出入的主要方式──主動運(yùn)輸,在實(shí)驗(yàn)中則沒能體現(xiàn)出來,致該實(shí)驗(yàn)存在不足之處而受到質(zhì)疑。
姜老師建議巧妙地設(shè)置問題,呈現(xiàn)給學(xué)生,引導(dǎo)學(xué)生的思維發(fā)散開去,將書本中的前后知識聯(lián)系起來,融會貫通,使他們洞悉現(xiàn)象與本質(zhì)的差異,理解實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性原則。姜老師的觀點(diǎn)與我們的看法有相同之處,但姜老師在文中沒有對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深刻分析,沒有指出引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的具體方法。我們對該實(shí)驗(yàn)的研究是獨(dú)到的,對該實(shí)驗(yàn)的初步分析是一種創(chuàng)新見解。
3.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的疑點(diǎn) 在NaOH溶液中浸泡10分鐘,NaOH在瓊脂柱中的擴(kuò)散深度達(dá)到0.5cm,切成兩段,一段在NaOH溶液中再浸泡10分鐘,一段置于空氣中, NaOH在兩截瓊脂柱中繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散,而瓊脂柱的外圍紅色消褪形成本色環(huán),該淺色環(huán)的寬度還會隨時(shí)間的延續(xù)而增加。這一現(xiàn)象用空氣中的CO2進(jìn)入瓊脂柱來解釋行不通。
4 分析與討論
4.1 模擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)的細(xì)胞生命活動之間的平行關(guān)系不太明顯
4.1.1 活細(xì)胞的邊界細(xì)胞膜有控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的作用,瓊脂塊沒有這樣的邊界,NaOH溶液在瓊脂塊中的擴(kuò)散只相當(dāng)于細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)的擴(kuò)散運(yùn)輸,該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不能說明細(xì)胞表面之細(xì)胞膜的重要作用。
4.1.2 活細(xì)胞在細(xì)胞質(zhì)流動時(shí)的胞內(nèi)物質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)輸?shù)乃俣葧黾,?xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器還有特殊的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方式。
4.1.3 觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法與指標(biāo)是測量NaOH在一定時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)散深度,也可得出“細(xì)胞太大,物質(zhì)從細(xì)胞外圍部分遠(yuǎn)距離運(yùn)送到細(xì)胞中心部分有困難”的結(jié)論,但這一結(jié)論又會產(chǎn)生疑問,因?yàn)榧?xì)胞是由小長大的、持續(xù)生活的,細(xì)胞長到較大體積的過程中,細(xì)胞中心的物質(zhì)有足夠時(shí)間擴(kuò)散到外圍部分,外圍部分的物質(zhì)也能擴(kuò)散到細(xì)胞中心(12.5小時(shí)后,即第二天清早,在各個(gè)瓊脂塊中,NaOH都擴(kuò)散到中心),細(xì)胞質(zhì)的流動還可以使這種胞內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸加速。
可見,物質(zhì)在瓊脂塊中的擴(kuò)散與在細(xì)胞中的擴(kuò)散是有差異的,用模擬實(shí)驗(yàn)的情境與結(jié)果解釋細(xì)胞為什么不能無限長大缺乏較強(qiáng)的說服力。
4.2 模擬實(shí)驗(yàn)難以充分說明細(xì)胞不能無限長大的主要原因 “物質(zhì)運(yùn)輸效率”的說法并不能使我們認(rèn)識和理解問題的實(shí)質(zhì),與其說細(xì)胞太大物質(zhì)運(yùn)輸效率低,不如說細(xì)胞膜相對于細(xì)胞的需要而言“負(fù)擔(dān)”重。因?yàn)榧?xì)胞越大,需要通過細(xì)胞膜吸收和排出的物質(zhì)越多,細(xì)胞的大小變化對細(xì)胞膜的物質(zhì)運(yùn)輸速度(單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積細(xì)胞膜的物質(zhì)量)的影響不大,而細(xì)胞膜的物質(zhì)運(yùn)輸速度主要受載體、能量和濃度差等因素的影響,是有限度的,即在除了細(xì)胞大小不同的其他條件相同的情況下,物質(zhì)通過細(xì)胞膜的自由擴(kuò)散、協(xié)助擴(kuò)散和主動運(yùn)輸?shù)乃俣仁且欢ǖ摹?/p>
第二、三次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,浸泡在NaOH溶液中的瓊脂柱,NaOH在其內(nèi)擴(kuò)散速度快;取出后置于空氣中時(shí),NaOH在其內(nèi)擴(kuò)散速度減慢。這不僅說明NaOH的擴(kuò)散速度要靠濃度差維持,也說明在細(xì)胞膜允許物質(zhì)快速通過的情況下,跨過細(xì)胞膜到達(dá)細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的物質(zhì)才能以較快速度向細(xì)胞中心擴(kuò)散,證明細(xì)胞膜控制下的物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的速度有限會影響細(xì)胞內(nèi)部的物質(zhì)擴(kuò)散、傳遞的速度。有些細(xì)胞表面形成很多突起,例如人體小腸粘膜細(xì)胞的微絨毛大大增加了細(xì)胞膜的總面積,也說明細(xì)胞膜在決定細(xì)胞與周圍環(huán)境交換物質(zhì)的效力時(shí)起決定作用。
以“表面積 / 體積”之比值來分析細(xì)胞不能無限長大,主要原因是細(xì)胞體積增大,細(xì)胞表面積與體積之比值減小,而物質(zhì)通過細(xì)胞膜的運(yùn)輸速度有限,細(xì)胞膜對細(xì)胞的物質(zhì)供應(yīng)與廢物排出方面的負(fù)擔(dān)加重而“不堪重負(fù)”。模擬實(shí)驗(yàn)的情境、結(jié)果與教材的結(jié)論不能很好地印證這一主要原因。如果以此模擬實(shí)驗(yàn)為依據(jù)來討論“表面積 / 體積”之比跟細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸效率的關(guān)系,得出前文提及的教科書所述結(jié)論,是會給師生留下疑惑的。
4.3 細(xì)胞大小及其分析[3] 各種細(xì)胞的體積相差較大,細(xì)胞核的大小懸殊卻不大。一個(gè)細(xì)胞核內(nèi)所含的遺傳信息量是有一定限度的,能控制細(xì)胞質(zhì)的活動也是有限度的,因此一個(gè)細(xì)胞核能控制細(xì)胞質(zhì)的量也必有一定限度,細(xì)胞的體積不能無限長大。在體積較大的原生動物細(xì)胞中出現(xiàn)大核與小核的分工,以及動物細(xì)胞的多核現(xiàn)象可能與否緩沖核質(zhì)比例有關(guān)。
細(xì)胞類型
支原體細(xì)胞
細(xì)菌細(xì)胞
動植物細(xì)胞
原生動物細(xì)胞
直徑/μm
0.1~0.3
1~2
20~30(10~50)
數(shù)百至數(shù)千
特殊細(xì)胞
鴕鳥卵細(xì)胞
人卵細(xì)胞
人白細(xì)胞
人紅細(xì)胞
直 徑
5cm
200μm
3~4μm
7μm
細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的交流運(yùn)輸與細(xì)胞體積的關(guān)系。細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)從一端向另一端運(yùn)輸或擴(kuò)散是有時(shí)間與空間關(guān)系的,假如細(xì)胞體積很大,勢必影響物質(zhì)傳遞與交流的速度,細(xì)胞內(nèi)的生命活動就不能靈敏地調(diào)控和緩沖。有一些原生動物細(xì)胞的伸縮泡等可能起著對細(xì)胞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用。
卵細(xì)胞的體積偏大,是因?yàn)樵缙谂咛グl(fā)育是受儲存在卵細(xì)胞中的信使RNA與功能蛋白調(diào)控的,并利用預(yù)先儲存在卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的養(yǎng)料,因此,卵細(xì)胞生長時(shí)逐漸在細(xì)胞質(zhì)中儲存了大量mRNA、蛋白質(zhì)與養(yǎng)料,同時(shí)卵細(xì)胞與周圍環(huán)境交換物質(zhì)很少,卵細(xì)胞的體積大主要因細(xì)胞質(zhì)擴(kuò)增所致。
細(xì)胞的分化、分工也能部分的調(diào)整細(xì)胞大小與細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能之間的的關(guān)系,提高細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸效率。如人的紅細(xì)胞的細(xì)胞核和一些細(xì)胞器退化,騰出了容納血紅蛋白的空間,細(xì)胞體積相對變小,縮短了O2在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸距離。
5 結(jié)論與建議
5.1 實(shí)驗(yàn)操作的關(guān)鍵 材料相同的瓊脂塊,不論大小、形狀如何,在同一時(shí)段內(nèi),NaOH在其內(nèi)的擴(kuò)散速度是相同的,實(shí)驗(yàn)操作時(shí)對瓊脂塊的大小形狀不必嚴(yán)格規(guī)定,關(guān)鍵是從與表面垂直的方向測量NaOH的擴(kuò)散深度,每個(gè)瓊脂塊可選多個(gè)點(diǎn)測量取平均值進(jìn)行比較,然后取所有瓊脂塊的平均值,計(jì)算一系列大小不同的規(guī)則幾何體如正方體的相關(guān)比值(表面積/體積,NaOH擴(kuò)散體積/整個(gè)幾何體的體積,結(jié)果見圖1)。每班1、2個(gè)小組(節(jié)省材料),用適宜高度與直徑的瓊脂柱按前文第二次實(shí)驗(yàn)的方法分兩個(gè)時(shí)間段做實(shí)驗(yàn),兩次測量數(shù)據(jù),比較不同時(shí)段內(nèi)和不同條件下的NaOH擴(kuò)散速度,能夠說明細(xì)胞不能無限長大的主要原因,如細(xì)胞膜起的關(guān)鍵作用。
5.2 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析 “細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸效率”這一說法存在疑點(diǎn),應(yīng)從兩個(gè)不同角度進(jìn)行分析。即:(1)單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的擴(kuò)散深度勢必影響物質(zhì)傳遞與交流的速度,細(xì)胞過大,細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)空間增大,速度變慢,生命活動就不能靈敏地調(diào)控和緩沖[3],這限制了細(xì)胞的膜質(zhì)比、核質(zhì)比。即細(xì)胞膜總面積與細(xì)胞體積之比值關(guān)系,不能看著細(xì)胞不能無限長大的因,應(yīng)看著細(xì)胞不能無限長大的果。(2)聯(lián)系物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞,立足于?xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力是有限的,分析大小不同的細(xì)胞的細(xì)胞膜相對于細(xì)胞需要的負(fù)擔(dān)大小,得出更加科學(xué)的結(jié)論。
5.3 構(gòu)建幾何模型直觀地解釋細(xì)胞不能無限長大的主要原因之一 如圖2所示,大小不同的圓代表大小不同的細(xì)胞,各截取面積相同的、極小的細(xì)胞膜,構(gòu)建頂點(diǎn)為細(xì)胞中心(圓心O )的錐體,由于錐體的體積等于底面積與高的乘積的1/3,兩錐體的體積差異由錐體的高度(近似于細(xì)胞半徑)決定,所以,局部細(xì)胞膜的負(fù)擔(dān)跟細(xì)胞的半徑成正比。
如果只用此實(shí)驗(yàn)說明細(xì)胞不能無限長大的原因而印證細(xì)胞分裂是生物體生長的主要原因,或許可以取消這個(gè)實(shí)驗(yàn),用數(shù)學(xué)模型來說明問題的實(shí)質(zhì);如果注重探究活動與實(shí)驗(yàn)分析,則可以改一改實(shí)驗(yàn)操作的步驟,如進(jìn)行兩次測量和分時(shí)間段計(jì)算物質(zhì)擴(kuò)散速度(單位時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)散深度),使實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)指向說明細(xì)胞膜在限制細(xì)胞長大方面的作用和過大細(xì)胞內(nèi)部的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)空間增大、轉(zhuǎn)運(yùn)速度變慢而致生命活動不能靈敏地調(diào)控和緩沖。
6 收獲與體會
通過研究,我們不僅掌握了細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系實(shí)驗(yàn)的操作要點(diǎn),得出了更全面、更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,深刻地體會到細(xì)胞不能無限長大的主要原因和多細(xì)胞生物的長大主要依靠細(xì)胞增殖,提出了獨(dú)到的見解。而且,在研究過程中,同學(xué)們基本掌握了利用電腦進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、資料搜集、信息處理的基本技能,置(質(zhì))疑、類比、分析、綜合、批判等科學(xué)思維能力和表達(dá)見解的能力得到較好的訓(xùn)練,獨(dú)立解決疑難問題的能力有較大提高,這對同學(xué)們才是最可貴的。【指導(dǎo)老師:湖南省郴州市第三中學(xué) 聶登福、彭文勝】
參考資料
[1]王秀莉 細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系模擬實(shí)驗(yàn)的改進(jìn) 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2008(1):24-25
[3]瞿中和等 細(xì)胞生物學(xué) 高等教育出版社 2001年5月第二次印刷 P.42~43
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