“Na2MoO进入植物细胞的方式”探究实验的设计与实施

马小娟

(北京市第101中学 100091)

1 课题研究的背景与意义

细胞是个开放的生命系统，时刻与外界进行能量转换和物质交流。主动运输是物质跨膜运输的重要方式，保证了细胞根据其生命活动的需要，通过耗能主动选择吸收所需要的营养物质，排出代谢废物和对细胞有害的物质。主动运输是高中生物学的重要概念，课堂教学一般以讲授为主，辅以图片、动画，学生缺乏对这一重要概念的感性认识。若能结合细胞呼吸的知识(如控制细胞的能量供应或酶活性等方式)，设计简单易行的实验，让学生观察物质主动运输的现象，有助于学生建构主动运输这一重要概念。

钼(Mo)是植物细胞必需的微量元素，植物根系从土壤中吸收钼的主要形态为MoO42-。目前对MoO42-进入植物细胞的方式争论不一，有些研究认为植物吸收钼是被动运输的过程：如有人发现植物根系钼的吸收量与外界溶液浓度呈正比，降低温度和加入抑制剂对植物根系吸收钼几乎无影响[1]。有些研究支持植物吸收钼是主动运输的过程。

Na2MoO4是进行植物组织培养时所用的MS培养基的必需成分，本实验用Na2MoO4处理紫色洋葱外表皮细胞，通过胞外施加低浓度ATP溶液以改变细胞的能量供应，比较施加ATP前后Na2MoO4进入植物细胞的速度，为Na2MoO4进入植物细胞与能量相关提供证据，同时也为“主动运输属于耗能的过程”提供教学实例。

2 实验原理

花青素可作为天然酸碱指示剂，在酸性环境中偏红色，碱性环境中偏蓝色。紫色洋葱外表皮细胞的细胞液pH偏酸性而使液泡呈现紫红色。Na2MoO4是强碱弱酸盐(5%的水溶液25℃ pH9～10，无色透明)，用0.005 mol/L的Na2MoO4处理紫色洋葱外表皮细胞，可在显微镜下观察到液泡颜色由紫红逐渐变成蓝色[2]，由此推知Na+和MoO42-选择性地进入细胞中，使液泡内的pH值升高，呈现碱性，发生颜色变化。因此，可以洋葱外表皮细胞的颜色变化为指标，观察Na2MoO4进入细胞的速度。ATP是细胞能量的直接提供者，为主动运输提供能量。

3 实验方案设计

用Na2MoO4溶液及Na2MoO4与ATP的混合溶液分别处理洋葱外表皮细胞，若相同时间内，添加ATP的Na2MoO4溶液处理后的细胞变色比例高，则说明Na2MoO4进入植物细胞是能量依赖式的，提示Na2MoO4可能以主动运输的方式过膜。

4 实验材料及用具

紫色洋葱鳞片叶，清水，刀片，镊子，微量移液器，载玻片，盖玻片，吸水纸，光学显微镜；浓度为0.005 mol/L的Na2MoO4溶液(A液)，Na2MoO4与ATP-2Na(ATP在药品中以ATP-2Na盐的形式存在)的等比例混合溶液(B液)，B液中Na2MoO4浓度为0.005 mol/L，ATP-2Na的浓度梯度见表1。

5 实验过程

(1)制作洋葱鳞片叶外表皮的临时装片。

(2)对照组处理：用微量移液器吸取200 μL 0.005 mol/L的Na2MoO4溶液(A液)，在盖玻片的一侧分次滴加，另一侧用吸水纸吸引。数码显微镜拍照记录未处理装片及A液处理5 min后的装片。

(3)实验组处理：另取一张外表皮临时装片，用微量移液器吸取400 μL的B1液(0.01 mol/L的Na2MoO4与10 mmol/L ATP-2Na溶液等比例混合，混合液中Na2MoO4浓度为0.005 mol/L，ATP-2Na浓度为5 mmol/L)，在盖玻片的一侧分次滴加，另一侧用吸水纸吸引。数码显微镜拍照记录未处理装片及B1液处理5min后的装片。

(4)用B2液～B8液分别按照第3步操作处理洋葱外表皮细胞，数码显微镜拍照。

(5)浓度分别为5，0.5，5×10-7，5×10-8，5×10-9，5×10-10，5×10-11，5×10-12mmol/L的ATP-2Na单独处理洋葱鳞片叶外表皮细胞，操作步骤同第(2)步，数码显微镜拍照。

表1 Na2MoO4与ATP-2Na的浓度

6 实验结果

Na2MoO4+ATP-2Na混合溶液处理植物细胞后，ATP-2Na的浓度在5×10-9～5×10-12mmol/L范围内，与对照组比较，相同处理时间内变色细胞比例增加。其中ATP-2Na的浓度为5×10-11mmol/L时变色细胞比例明显比对照组多。对照组结果：0.005 mol/L的Na2MoO4溶液单独处理5 min后细胞颜色变化及比例(封底图1、2)。

ATP-2Na溶液单独处理洋葱外表皮细胞，颜色没有变化(封底图3、4)。

实验组结果：0.005 mol/L Na2MoO4+5×10-11mmol/L ATP-2Na混合溶液处理5 min之后细胞颜色变化及比例(封底图5、6)。

7 结果分析

实验结果说明，ATP本身对细胞颜色变化没有影响，Na2MoO4在有低浓度ATP(5×10-9～5×10-12mmol/L)存在的情况下，能够更快地进入细胞使液泡中花青素的颜色发生改变，说明Na+和MoO42-进入细胞是与ATP相关的过程，提示它们可能以主动运输的方式过膜。

8 实验应用在教学中的建议

8.1 本实验适宜在中学开展 本实验材料易得，Na2MoO4和ATP-2Na溶液安全无毒害作用；实验操作简单，仅需显微镜即可进行，且5 min就可观察实验现象。因为所用实验材料及操作与“植物细胞的质壁分离及复原”实验基本相同，两个实验可以合并在一节实验课进行，同时观察植物细胞的吸水失水及离子过膜，适合在中学课堂教学中展开。

8.2 本实验具备进行科学探究的完整过程 从观察现象(Na2MoO4使洋葱外表皮细胞变蓝)→提出问题(离子以什么方式过膜)→做出假设(Na+和MoO42-以主动运输的方式过膜)→设计实验→实验过程→实验结果及结论→新的问题，可以让学生经历一个完整的科学探究过程，建议在课余时间或选修课展开。教师可以指导学生独立摸索Na2MoO4及ATP-2Na溶液的适宜处理浓度；也可以在定性比较实验结果后，指导学生对实验组、对照组的变色细胞进行记数，统计变色细胞的比例，对该探究实验进行定量的分析。在处理实验结果时，还会出现意料之外的结果。例如，本实验中用0.005 mol/L Na2MoO4与5 mmol/L ATP-2Na混合溶液处理后的细胞，不仅没有提高Na2MoO4过膜的速度，与对照组相比，变色细胞的比例降低。对于意料之外的实验数据的处理和分析，能够提高学生独立思考的能力。

通过该探究实验，学生自己发现现象、提出问题、做出假设，根据已有的知识设计实验方案，并展开一系列实验，既能感受科学研究的完整过程，也能体验摸索实验条件的艰难、理论与实践的差距和成功的喜悦，同时这个过程也培养了学生理性思维、科学探究的生物学核心素养。