利用马铃薯和糕粿探究“细胞大小对物质运输速率的影响”

舒端阳 （广东省揭阳华侨高级中学 广东揭阳 522000）

1 教材分析

“细胞大小对物质运输的影响”是高中生物学人教版必修1第6章的探究性实验。细胞大小是指细胞的表面积与体积之比（即相对表面积），教材中采用边长分别为3 cm、2 cm、1 cm含有酚酞的琼脂块为模型，代表大小不同的细胞，并将其放入NaOH溶液中浸泡数分钟，浸泡后将琼脂块取出切开，观察比较横切面中NaOH扩散的深度。笔者认为教材中的实验从选材和方法上都能很好地表达出实验设计者的意图，但不足之处在于，首先琼脂对于刚进入高中的学生来说比较陌生，其次实验中使用的NaOH对皮肤具有腐蚀性，因此数量较多的学生在实验室进行操作时存在一定的安全隐患。

为了改进上述问题，笔者查阅了其他版本的教材，浙教版与人教版相似，也是将含有酚酞的琼脂块“细胞”浸入NaOH溶液，然后观察红色浸润的程度［1］；美国版高中生物学教材《Biology-Principles&Explorations》采用了逆向思维，即将含有碱性酚酞的粉红色琼脂块放入白醋中，白醋遇到酚酞后红色褪去，通过观察琼脂块褪色的程度估测白醋进入扩散细胞的效率［2］。

2 实验改进

受颜色反应的启发，利用淀粉和碘液反应变蓝的原理，将富含淀粉的马铃薯和糕粿切成大小不等的立方体块，以代替教材中的琼脂块。糕粿是将大米磨成米浆，加热冷却凝固后呈白色块状的食物，深受潮汕地区民众喜爱，糕粿和马铃薯都是本地学生日常生活中的常见食物，用其作为实验材料更加贴近学生生活；此外，以碘液代替NaOH，实验操作中安全性更高，且学生刚学过淀粉的鉴定实验，温故知新，也能起到承上启下的效果。

3 实验材料及方法

3.1 实验材料 马铃薯、糕粿、碘-碘化钾溶液（碘化钾 15 g，蒸馏水 500 mL，碘 5 g）、水果刀、尺子、烧杯、铁架台、酒精灯。

3.2 实验步骤

1）学生分成A、B、C 3组，在教师指导下将削皮后的马铃薯和糕粿分别切成边长为3 cm、2 cm和1 cm的正方体若干个。

2）考虑到马铃薯块茎中的活细胞会阻止碘分子的扩散作用，影响染色效果，取边长为3 cm、2 cm和1 cm的正方体各3个，放入沸水中加热10 min将细胞杀死。

3）A组学生将加热处理过的马铃薯块按照边长3 cm、2 cm、1 cm分为3组，分别放入3个盛有碘液的烧杯中浸泡10 min、20 min和30 min。

4）B组学生按照第1组学生的方法将未经加热处理的马铃薯块分别放入另3个盛有碘液的烧杯中浸泡 10 min、20 min和 30 min。

5）C组学生以同样的操作方法处理切好的糕粿块。

6）在相应时间依次取出烧杯中的土豆块和糕粿块，用滤纸吸干表面残留的碘液，用小刀将其切开，观察蓝色浸润的程度，并用直尺测量碘液扩散的距离。

7）为减少误差，各组学生将上述实验再重复2次，取3次实验数据的平均值，以降低误差，使实验数据更加准确。

4 实验结果

4.1 碘液扩散率 将马铃薯（或糕粿）块中变蓝色的体积占相应方块的总体积比作为碘液扩散率，比值越大说明物质扩散的程度越大，结果见表1、表2。

表1 碘液在大小不同的马铃薯块和糕粿块中的扩散深度（单位：cm）

表2 碘液在大小不同的马铃薯块和糕粿块中的扩散率（%）

5 分析与讨论

从实验结果来看，碘液浸入马铃薯块的效率较低，即便是加热沸煮后的马铃薯块其扩散率也很低，很可能是马铃薯块茎中组织细胞排列过于紧密，而碘分子本身分子量较大，在短时间内产生较好的扩散效果较为困难（图1）；如果将碘液浸泡时间延长，也许效果更佳，但因课堂时间有限，教学实验往往又要在一节课内完成，因此笔者认为马铃薯不适合作为该实验的材料。

图1 扩散效果

相较而言，糕粿的实验效果就比较明显，结果显示边长1 cm的方块碘液扩散率最大，2 cm的样品次之，3 cm的扩散效果最差；大小相同的样品，浸泡的时间越长（如碘液处理30 min的糕粿块）扩散率越大，反之越小，这些都与教材中的结论相符（图2～图8）。笔者认为这很可能是因糕粿由大米碾碎制成，水稻细胞在碾碎过程中已被完全破碎，从而失去了对染料分子的选择透过性，且水稻本身富含淀粉，因此与碘液发生颜色反应的现象也会更加明显。

图2 刚切好未浸泡碘液的糕粿块

图3 浸泡10 min的糕粿块

图4 浸泡20 min的糕粿块

图5 浸泡30 min的糕粿块

图6 边长1 cm的糕粿块

图7 边长2 cm的糕粿块

图8 边长3 cm的糕粿块

本实验说明糕粿可以作为检测“细胞大小对物质运输”实验的材料。教材中选用的琼脂块学生大都感到陌生，且实验操作前教师要事先将琼脂粉加热冷凝后才能制得，操作相对繁琐；而糕粿作为潮汕地区的常见食物，学生普遍比较熟悉，有良好的感性认识。糕粿价格便宜，从市场买回即可直接切块进行染色实验；其次采用碘液对糕粿进行染色，避免使用具有腐蚀性的NaOH，保证了实验的安全性；且通过本节实验教学，也使学生温习回顾了碘液使淀粉变蓝的知识点。

但是本实验也存在不足，不同学生切出的糕粿块大小各异，一定程度上影响了实验结果的准确性。如果能使用某种机械准确地切出规格不同的糕粿块，结果会更有说服力。

6 结论

本节实验证明糕粿较马铃薯更适合作为实验材料。探究发现，切开后的糕粿块蓝色（碘液）扩散进去的深度基本相同，所以体积越小的糕粿块扩散进去的体积占总体积的百分比越大，间接说明细胞不能无限长大，当细胞生长到一定程度时就会进行分裂，因为细胞越小物质扩散的效率越高。

主要参考文献

［1］吴相钰，刘恩山.普通高中课程标准实验教科书.生物学必修1：分子与细胞.杭州：浙江科学技术出版社，2012：23.

［2］Kenneth A Mason,Jonathan B Losos,Susan R Singer.Biology.9 Ed.The McGraw-Hill Company，2008.