光照強(qiáng)度對(duì)黑藻胞質(zhì)環(huán)流速率影響的探究*

孫 娟 修國(guó)棟 李路軍 王銜飛

（首都師范大學(xué)附屬回龍觀育新學(xué)校 北京 102208）

高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浿杏腥~綠體的觀察實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察葉綠體的流動(dòng)，學(xué)生可以理解胞質(zhì)環(huán)流現(xiàn)象。 一般情況下，生命活動(dòng)越旺盛的細(xì)胞，其胞質(zhì)環(huán)流速率就會(huì)越快。 但是，在實(shí)際操作中，很多學(xué)生并沒(méi)有觀察到明顯的胞質(zhì)環(huán)流現(xiàn)象。 影響胞質(zhì)環(huán)流速率的環(huán)境因素有很多，例如光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、溫度等，通過(guò)控制這些環(huán)境因素可以改變胞質(zhì)環(huán)流速率。

本文采用定量的方法探究了不同光照強(qiáng)度對(duì)胞質(zhì)環(huán)流速率的影響,通過(guò)適度提升光照強(qiáng)度，能有效提高胞質(zhì)環(huán)流的速率。 同時(shí)，通過(guò)控制光照強(qiáng)度改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)，促使學(xué)生更深刻地體會(huì)“生物能對(duì)外界刺激做出一定的反應(yīng)”的生命特征。

本實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用了物理學(xué)、數(shù)學(xué)方法，并利用計(jì)算機(jī)完成胞質(zhì)環(huán)流速率的測(cè)定，學(xué)生在實(shí)際操作中提高了綜合運(yùn)用知識(shí)的能力、提升了綜合素養(yǎng)。

1 材料與方法

1.1 材料 顯微鏡、新鮮黑藻、血球計(jì)數(shù)板、光通量計(jì)、光敏電阻、萬(wàn)用表等。

1.2 方法

1）將血球計(jì)數(shù)板單獨(dú)放置在顯微鏡載物臺(tái)上，拍照片留存（圖1）。

圖1 血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)區(qū)長(zhǎng)度測(cè)定

2）將顯微鏡載物臺(tái)降至最低，把光調(diào)至最亮，將光敏電阻放在載物臺(tái)上緩慢移動(dòng)， 使其電阻降至最低，記下此時(shí)電阻值R0。 通過(guò)采用最值方法，使得每次測(cè)量初始時(shí)光敏電阻的位置相同。

3）調(diào)節(jié)顯微鏡光源的光照強(qiáng)度并保持光敏電阻位置不變。 將黑藻頂端第5～7 片葉子制成臨時(shí)裝片， 在顯微鏡下觀察并錄制實(shí)驗(yàn)初始時(shí)胞質(zhì)環(huán)流視頻，用于后續(xù)的速率測(cè)定。

4）降下載物臺(tái)至最低處，調(diào)節(jié)顯微鏡光源的光照強(qiáng)度至固定值2 000 lx，照射5 min 后再次觀察并錄制視頻。

5）改變光照強(qiáng)度至4 000 lx、6 000 lx，重復(fù)2～4 步驟。

6）將各組視頻與步驟1 所得圖片調(diào)至相同大小， 運(yùn)用圖象處理技術(shù)選取并追蹤視頻中的葉綠體， 根據(jù)V＝S/T 測(cè)量其單位時(shí)間走過(guò)的路程，從而得出不同光照強(qiáng)度下的胞質(zhì)環(huán)流速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 光照強(qiáng)度與光敏電阻的阻值關(guān)系 根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知， 光敏電阻的阻值在光通量較低時(shí)隨光照變化非常敏感， 但光照強(qiáng)度過(guò)低又不利于胞質(zhì)環(huán)流的觀察。 因此，可以對(duì)光敏電阻的通光口進(jìn)行固定的遮擋， 使其對(duì)于2 000 lx 至6 000 lx的光照強(qiáng)度時(shí)電阻值變化敏感。 測(cè)出不同光照強(qiáng)度下光敏電阻阻值并記錄， 對(duì)光照強(qiáng)度值和光敏電阻值進(jìn)行自然對(duì)數(shù)處理后， 發(fā)現(xiàn)二者呈線性關(guān)系（圖2）。

圖2 光敏電阻阻值和光照強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 光照強(qiáng)度對(duì)胞質(zhì)環(huán)流速率的影響 實(shí)驗(yàn)中，分別測(cè)定了室溫（19～21℃）條件下,2 000 lx、4 000 lx、6 000 lx 光照強(qiáng)度處理葉片5 min 前、后，黑藻細(xì)胞的葉綠體位置的變化（圖3），進(jìn)而計(jì)算得出胞質(zhì)環(huán)流速率。

圖3 光照前、后黑藻葉片葉綠體位置的變化

由圖可知，黑藻在室溫?zé)o額外光源（光照強(qiáng)度約為540 lx）處理情況下，胞質(zhì)環(huán)流速率較小，且每個(gè)葉綠體的流動(dòng)速率差異較大。 經(jīng)過(guò)5min 的光照處理，胞質(zhì)環(huán)流速率會(huì)有大幅度提升，在2 000 lx、4 000 lx、6 000 lx 光照強(qiáng)度下， 細(xì)胞的胞質(zhì)環(huán)流速率較光照前分別提高了66.3%、140%、67.0%（表1），且葉綠體的流速較為均一，更加方便觀察。

表1 不同光照強(qiáng)度照射前后黑藻葉綠體流速的測(cè)定

進(jìn)一步提高光照強(qiáng)度至8 000 lx 照射黑藻細(xì)胞5 min 后， 發(fā)現(xiàn)黑藻細(xì)胞的胞質(zhì)環(huán)流速率不但沒(méi)有增加，反而有所降低。推測(cè)在光照強(qiáng)度過(guò)大的情況下，細(xì)胞的生命活動(dòng)會(huì)變?yōu)楦换钴S的狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)踐證明，4 000 lx 光照強(qiáng)度下照射5 min 能夠有效提高胞質(zhì)環(huán)流的速率。 胞質(zhì)環(huán)流速率可以從一定程度上反映細(xì)胞新陳代謝的旺盛程度，因此， 適宜的光照能夠有效提高細(xì)胞的細(xì)胞代謝速率， 而過(guò)高或過(guò)低的光照強(qiáng)度都不利于細(xì)胞進(jìn)行代謝活動(dòng)。

通過(guò)探究，將教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化，即學(xué)生在觀察黑藻葉片胞質(zhì)環(huán)流實(shí)驗(yàn)中，可以先觀察自然光源下葉綠體的流速，之后通過(guò)利用顯微鏡的光源照射葉片3～5 min， 再觀察葉綠體的流速的變化，此舉能極大提升實(shí)驗(yàn)成功的概率，也能幫助學(xué)生理解光照強(qiáng)度對(duì)植物細(xì)胞生命活動(dòng)的重要影響。

本文通過(guò)綜合運(yùn)用物理學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)， 對(duì)胞質(zhì)環(huán)流速率進(jìn)行了定量的分析、測(cè)定。 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和綜合素養(yǎng)都有所提升。