深入探究“植物細(xì)胞吸水、失水原理”

李立娟 （石家莊第二外國(guó)語學(xué)校 河北石家莊 050022）

生物學(xué)冀教版2011八上教材第2章第2節(jié)“根對(duì)水分的吸收”中探究細(xì)胞吸水、失水原理是難點(diǎn)，高中生物學(xué)必修1“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”及“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞健敝猩婕暗皆撝R(shí)點(diǎn)，需要擴(kuò)充一定的知識(shí)，并盡量降低難度學(xué)生才能理解。目前無資料顯示蘿卜細(xì)胞液的具體合適濃度，筆者進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)得出比較準(zhǔn)確的結(jié)果，供師生在課堂教學(xué)中使用。

1 針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

根據(jù)教材第21～22頁“探究竟：實(shí)驗(yàn)”，切取一些蘿卜片替代蘿卜條，這樣取材能夠相對(duì)完整，且同時(shí)具備輸導(dǎo)組織和營(yíng)養(yǎng)組織，避免不同位置蘿卜條細(xì)胞液濃度不同；此外在描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)效果更好，低濃度溶液中的蘿卜片會(huì)變得更硬，高濃度溶液中的蘿卜片變軟。沒有必要切取同質(zhì)量的2組蘿卜片，因?yàn)樵趯?shí)際操作中，要達(dá)到此目的需要不斷調(diào)整，所以可以切取2組蘿卜片（厚度在2～3 mm），記錄其質(zhì)量，浸泡20 min，即可出效果（教材給出的是1～2 h），再擦拭掉水分稱取質(zhì)量，對(duì)比2次質(zhì)量即可，這樣操作更加節(jié)省時(shí)間。

2 具體實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?幫助學(xué)生更好地理解細(xì)胞吸水、失水原理，進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究蘿卜細(xì)胞液的濃度。如果在教材中直接給出此結(jié)論：“蘿卜細(xì)胞液濃度＞1%鹽水濃度，蘿卜細(xì)胞液濃度＜30%鹽水濃度”，即可成為已知條件。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理 向?qū)W生簡(jiǎn)單介紹溶液和濃度的概念及如何配制濃度為1%的鹽水和30%的鹽水。配制方法：1%鹽水：1 g鹽加上99 g純凈水。需要進(jìn)一步說明蘿卜由細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞中液泡所占體積（有的液泡占到90%）很大，液泡里含有的細(xì)胞液也是一種溶液，溶解有多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也具有一定的濃度，因此將蘿卜細(xì)胞液與不同濃度鹽水進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)采取逐漸縮小濃度范圍的方法測(cè)算蘿卜細(xì)胞液濃度，第1次在1%～30%范圍內(nèi)檢測(cè)細(xì)胞液濃度，濃度梯度5%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再縮小鹽水濃度的范圍，濃度梯度分別是1%、0.2%、0.1%。

2.3 實(shí)驗(yàn)器具及材料 燒杯、量筒、天平、攪拌棒、吸水紙、刀、蘿卜、食鹽。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1）第1次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5組，根據(jù)已知，蘿卜的細(xì)胞液濃度在1%～30%的鹽水之間，因此設(shè)置鹽水濃度分別是5%、10%、15%、20%、25%，稱取 5組蘿卜片（每組 3片），質(zhì)量分別是 13.6 g、15.4 g、13.1 g、14.3 g、14.1 g，1 h 后 擦 干 蘿 卜 表 面 的水并稱重，5%鹽水中的蘿卜片質(zhì)量由13.6 g變?yōu)?0.6 g，說明蘿卜失水，蘿卜細(xì)胞液濃度一定小于5%鹽水濃度，其他4組蘿卜片不需要再稱重。

2）第2次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 3組（1%～5%之間），鹽水濃度分別是2%、3%、4%，稱取3組19.9 g蘿卜（每組3片）,為了對(duì)比不同濃度鹽水中質(zhì)量變化情況，此次稱取相同質(zhì)量的蘿卜片，1 h后擦干蘿卜片表面水并稱重，2%鹽水中蘿卜片質(zhì)量為15.4 g，蘿卜細(xì)胞液濃度依然要小于2%鹽水。

3）第3次實(shí)驗(yàn)鹽水濃度介于1%～2%之間，濃度分別是1.2%、1.4%、1.6%、1.8%,為了提高準(zhǔn)確度,分別稱取 2.4 g、2.8 g、3.2 g、3.6 g 鹽，加入 197.6 g、197.2 g、196.8 g、196.4 g 水（經(jīng)測(cè)算 10 mL 水171滴，0.6 mL水是10滴），稱取30 g蘿卜片（每組5片），為了更加精確，擦干表面的液體再放入鹽水中，燒杯上蓋吸水紙（防止灰塵落入）浸泡2 h，1.2%鹽水中的蘿卜由30 g變?yōu)?29.5 g，1.4%鹽水變?yōu)?8 g，1.6%鹽水變?yōu)?7.1 g，1.8%鹽水變?yōu)?5.9 g，蘿卜細(xì)胞液的濃度已非常接近1.2%的鹽水。

4）為了探究蘿卜細(xì)胞液濃度更接近1.1%還是1.2%鹽水,第4次操作將30 g蘿卜片擦干表面液體,別放入1.1%和1.2%鹽水中，蓋上吸水紙放置2 h，1.1%鹽水的蘿卜片質(zhì)量由30 g變?yōu)?0.3 g，吸水；1.2%鹽水中蘿卜片由30 g變?yōu)榻咏?9.8 g，失水。

誤差分析：每次實(shí)驗(yàn)操作本身可能會(huì)有一些誤差；此外不同的蘿卜細(xì)胞液濃度也會(huì)不同，放置時(shí)間較長(zhǎng)也會(huì)影響蘿卜細(xì)胞液濃度；本次實(shí)驗(yàn)所用材料蘿卜是同一批購(gòu)買，但第1次實(shí)驗(yàn)是9月21日上午進(jìn)行，第2次、第3次實(shí)驗(yàn)是9月22日進(jìn)行，第 4次操作是 9月 23進(jìn)行，時(shí)間越長(zhǎng)蘿卜水份蒸發(fā)掉越多，可能導(dǎo)致最后一次實(shí)驗(yàn)細(xì)胞失水較少。又重新購(gòu)買不同批次的蘿卜，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：蘿卜在1.1%鹽水中質(zhì)量變大，在1.2%鹽水中質(zhì)量變小，得出蘿卜細(xì)胞液濃度確實(shí)介于1.1%～1.2%鹽水的濃度。

3 實(shí)驗(yàn)意義

測(cè)出相對(duì)準(zhǔn)確的細(xì)胞液濃度，教師在課堂上就可以直接使用，以該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為已知條件可降低此知識(shí)點(diǎn)的難度，有利于教師的實(shí)際教學(xué)。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1%鹽水中的蘿卜質(zhì)量增加，細(xì)胞吸水，30%鹽水中的蘿卜質(zhì)量降低，細(xì)胞失水。因此得出結(jié)論：當(dāng)細(xì)胞液濃度＞周圍溶液濃度時(shí)，細(xì)胞吸水，細(xì)胞液濃度＜周圍溶液濃度時(shí)，細(xì)胞失水，即水向濃度“高”處流。學(xué)生能順理成章地接受這個(gè)結(jié)論。

4 小結(jié)與討論

如果學(xué)生繼續(xù)追問：為什么水會(huì)由低濃度流向高濃度？可以先讓學(xué)生進(jìn)行思考，嘗試解答，有的學(xué)生能聯(lián)想到物理上氣體的擴(kuò)散，一個(gè)房間內(nèi)的味道擴(kuò)散到另一個(gè)房間，運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)進(jìn)行解釋；還有學(xué)生在解釋過程中提到了被動(dòng)運(yùn)輸，這是高中生物學(xué)必修1“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞健敝刑岬剑粍?dòng)運(yùn)輸包含自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散［1］。經(jīng)過不斷嘗試，以下解釋學(xué)生比較容易接受：不同濃度的液體就如同氣體擴(kuò)散，經(jīng)過水的擴(kuò)散達(dá)到細(xì)胞內(nèi)外濃度的一致，蘿卜細(xì)胞液濃度﹥1%鹽水濃度時(shí)，主要因?yàn)榧?xì)胞吸水，細(xì)胞液的濃度就會(huì)降低，減少細(xì)胞內(nèi)、外溶液的濃度差，因?yàn)榧?xì)胞最外面有細(xì)胞壁，細(xì)胞吸水是有一定限度的，最終達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。同理，蘿卜細(xì)胞液濃度﹤30%鹽水濃度時(shí)，水由細(xì)胞流向濃鹽水溶液，細(xì)胞失水，細(xì)胞液的濃度增大。這個(gè)解釋中其實(shí)還要涉及細(xì)胞膜和液泡膜及2層膜之間的細(xì)胞質(zhì)稱為原生質(zhì)層［1］，相當(dāng)于一種半透膜，水分子能自由出入，有些大分子的物質(zhì)不能自由出入。品嘗1.1%和1.2%鹽水的蘿卜片，有一定咸味，說明此過程中也應(yīng)該存在一定Na+的主動(dòng)運(yùn)輸,也就是說細(xì)胞內(nèi)、外濃度達(dá)到一定平衡，有水分子的擴(kuò)散作用，也應(yīng)該有Na+主動(dòng)運(yùn)輸?shù)淖饔谩．?dāng)然腌制咸菜不是因?yàn)镹a+的主動(dòng)運(yùn)輸，是因?yàn)闀r(shí)間太長(zhǎng)細(xì)胞已經(jīng)死亡，鹽能自由擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。

還有一種相對(duì)比較容易接受的解釋，告訴學(xué)生如何配制2種100 mL的鹽水溶液，1%鹽水基本是1 g鹽加上99 g水，而細(xì)胞液濃度介于1.1%與1.2%之間（基本相當(dāng)于1.2 g溶劑+98.8 g水），100 mL的30%鹽水是35.2 g鹽+97.8 g水配制而成。具體的計(jì)算方法如下：由于0.9%鹽水密度約為1 g/cm3，所以1%鹽水密度也近似1 g/cm3，配制100 mL 1%的鹽水溶液：1 g鹽+99 g水；由于在常溫（20～30℃）常壓下，飽和食鹽水濃度是 26.5%，密度是1.33 g/cm3，所以30%的鹽水在常溫常壓下（會(huì)有鹽粒析出）不可能實(shí)現(xiàn)，因此按照飽和食鹽水的密度換算：100 mL 30%鹽水質(zhì)量是133 g（100 mL ×1.33 g/cm3），鹽 的 質(zhì) 量 133 g×26.5%=35.245 g，水的質(zhì)量 133-35.245=97.755 g。

等體積（100 mL）的 1%鹽水、蘿卜細(xì)胞液、30%鹽水中， 水的含量別是：99 g、98.8 g、97.8 g，水的含量：1%鹽水＞蘿卜細(xì)胞液＞30%鹽水，所以水的流向由“多向少”，1%鹽水→蘿卜細(xì)胞液→30%鹽水，因此得出水向濃度“高”處流。

主要參考文獻(xiàn)

［1］人民教育出版社,課程教材研究所,生物課程教材研究開發(fā)中心.高中生物：必修1:分子與細(xì)胞.2版.北京：人民教育出版社,2004.