種子在無氧條件下萌發(fā)實驗的改進(jìn)與探究

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”實驗提出種子萌發(fā)既受到內(nèi)部條件限制，也受到外部環(huán)境影響的觀點。而且，通過實驗證實種子萌發(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)實驗，實驗條件較難控制。開展此項實驗的學(xué)校，一般是按照教材設(shè)計，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)實驗，水本身也會造成一定干擾；若使用氮氣排除氧氣，則存在價格昂貴、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。若僅僅制作一個密閉空間進(jìn)行萌發(fā)實驗，則說服力不強(qiáng)。除此之外，萌發(fā)實驗結(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)胞呼吸的探究實驗，介紹酵母菌細(xì)胞呼吸的方式，并驗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］，但并沒有通過實驗進(jìn)行驗證。

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)”實驗和高中階段“細(xì)胞無氧呼吸”實驗有機(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)計和誤差分析等步驟，完成了這項綜合實驗。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，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 實驗原理

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個玻璃管，玻璃管末端接橡膠管并用夾子夾住；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個新鮮蘋果片；4）點燃火柴后，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，火柴自動熄滅，瓶內(nèi)殘余的微量氧氣會使蘋果片從白色變?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，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，按照實驗原理，在無氧組的廣口瓶中放置1個新鮮蘋果片，將火柴點燃后迅速塞入瓶內(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)實驗都得到類似結(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。在對照實驗中，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，實驗結(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)實驗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)生的酒精干擾實驗，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)胞代謝活動使用。

4 實驗結(jié)論

由以上實驗可知，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，由于無氧呼吸會積累酒精，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制作無氧瓶，并進(jìn)行無氧萌發(fā)實驗，全程使用新鮮的蘋果片作為指示，時刻都能觀察到瓶內(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)計綜合運用物理學(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值。