“用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动”实验的分析和拓展

罗福海 张文娟 程 虹 赵 浩 徐亚茹

（高台县第一中学 甘肃高台 734300）

“用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动”是人教版高中生物学必修1 新教材中的重要实验之一。此实验在人教版2004年版生物学教材中是没有的，此前教材中实验为“用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体”，新加入的实验对学生科学素养的培养具有重要作用。通过实验观察让学生意识到细胞质的流动是一种生命现象；通过观察叶绿体和细胞质流动，提高学生科学探究的实践能力。

细胞质是细胞代谢的主要部位，细胞质基质并不是静止的，而是持续地在细胞内顺着环形路线流动，这是观察细胞质流动实验的理论基础。叶绿体是植物光合作用的重要细胞器，由于其存在于细胞质中，因此，观察细胞质流动的同时还可观察到叶绿体［1］。尽管实验易于操作，但在教学及实际实验过程，学生还存在很多疑惑，笔者结合实验情况对本实验进行了一定的分析和拓展，以期为学生的学习和教师的教学提供参考。

1 实验目的要求［1］

观察叶绿体的形态、数量和分布特点；观察细胞质的流动情况。

2 实验材料器具［1］

新鲜的黑藻（或藓类的小叶），显微镜、载玻片、盖玻片、滴管、镊子、刀片、培养皿、台灯等。

3 实验流程［1］

1）将黑藻置于25℃左右的水中，以较强的光线照射30 min 以上。

2）向载玻片中央滴一滴清水，用镊子取一片幼嫩的黑藻叶片，放在清水中展平，盖上盖玻片，制成临时装片。在实验过程中，临时装片要始终保持有水状态。

3）先在低倍镜下找到细胞，然后用高倍镜观察叶绿体的形态、数量和分布特点。

4）以叶绿体作为标志物，观察细胞质流动的速度和方向。

4 实验分析

1）叶绿体的形态和分布是怎样的？ 高倍显微镜下观察到的叶绿体为绿色、椭球形或球形，沿黑藻细胞边缘分布，如图1所示，绿色植物的叶绿体无需染色即可观察到。

图1 显微镜下叶绿体的形态及分布［1］

2）选用黑藻的幼嫩叶片作为观察材料有什么好处？ 黑藻叶片薄，细胞内叶绿体多且体积大。在细胞质流动过程中，伴随着叶绿体的运动，因此，很容易在显微镜下被观察到。

3）观察叶绿体和细胞质的流动2 个实验是否冲突？活细胞中的细胞质处于不断流动的状态。细胞质基质是无色透明的，不容易直接观察其是否流动。叶绿体是绿色植物叶肉细胞中的一种常见结构，呈绿色，散布于细胞质基质中。选择叶绿体作为标志物，可观察植物细胞中细胞质的流动。因此，2 个实验是相辅相成的，如果合理地选择了实验材料，则可将2 个实验结合起来同时完成［2］。

4）是否大多数植物细胞的细胞质不流动，只有黑藻等少数植物的细胞质才流动？ 细胞质流动又称胞质运动，是指在活细胞中，细胞质基质处于不断的运动状态，能带动其中的细胞器在细胞内作有规则的持续的流动。因此，只要是活细胞都有细胞质流动的现象，例如，植物的根尖等，只是由于黑藻等植物材料便于观察。

5）在强光照射下，叶绿体的向光面有何变化？叶绿体的形态和分布有利于接受光照，进行光合作用。呈椭球形的叶绿体大多在不同光照条件下会改变方向。在弱光下，叶绿体以其椭球体的正面朝向光源；在强光下，叶绿体以其椭球体的侧面朝向光源。这使得叶绿体在弱光下能接受较多的光照，在强光下能避免叶绿体被灼伤。同时，植物在光照强度不断减弱的情况下，会通过增加叶绿素含量以增加对光的吸收，从而增强对弱光的适应性。

6）若视野中某细胞中细胞质的流动方向为顺时针，则在装片中该细胞的细胞质的实际流动方向是怎样的？答案是仍为顺时针。根据显微镜的成像原理可判断实际物与视野中像呈水平旋转180°结果，故视野中观察到为顺时针，则在装片中实际流动方向仍为顺时针。

7）细胞质的流动有什么意义？ 细胞质基质的流动，促进了细胞与周围环境及细胞内部各部分之间的物质交换和信息传递，有利于细胞内代谢反应有条不紊地进行。

5 实验拓展

1）除黑藻叶细胞外，还有哪些植物材料适合观察细胞质流动？ 通过反复实验并且进行对比后发现，用新鲜浓绿的大白菜、菠菜等幼苗嫩叶作为材料，实验也可取得较好的效果，且这些材料具有取材容易的特点。在取用菠菜叶进行实验时，由于表皮细胞除保卫细胞外，一般不含叶绿体，而叶肉细胞含较多的叶绿体，故要取略带些叶肉的下表皮［3］。

2）动物细胞是否有细胞质流动？ 若有如何观察？ 依据之前分析，只要是活细胞，细胞质都应是流动的。对人口腔上皮细胞进行实验，观察发现确实存在细胞质的流动，说明动物细胞也存在细胞质流动，细胞质流动不是绿色植物细胞特有的。用人口腔上皮细胞进行实验观察时需要用线粒体（健那绿染色）做细胞质流动的标志。叶绿体不是观察细胞质流动的唯一标志。

3）同一叶片中所有细胞中的叶绿体的运动方向都为顺向？还是都为逆向？还是既有顺向又有逆向？通过观察发现，相邻3 个细胞的叶绿体运动方向具有不同形式：都是逆向、都是顺向、2 个逆向1 顺向、或2 个顺向1 个逆向（图2）。

图2 叶绿体的运动方向

3）在做实验过程中，有的叶正面朝上，有的叶背面朝上，针对黑藻同一个叶片的同一个细胞，其叶绿体的运动方向将如何？结果表明，如果正放是逆向运动，反放则是顺向运动（图3），直至细胞逐渐死亡，胞质运动停止，反之亦然。

图3 不同放置黑藻同一细胞的细胞质流动

4）哪些因素可能影响细胞质流动的速度和方向？如何设计实验进行验证？细胞质流动速率可作为植物细胞活性状态的一种特征性参数,凡能影响细胞活性的因素,均可影响细胞质流动［4］。温度、光照强度、pH 值、生长素环境胁迫等均会影响细胞质流动。故本实验设置容易获取、易于操作的温度、光照强度、能量的改变3 个方面进行实验。

①温度。可通过水浴加热或直接加热的方式进行不同温度处理。实验设计如表1，分别在对应温度下处理10 min 后，按实验流程进行观察。由于本实验无需严格定量观察，因此为比较实验结果，可让多组同时进行操作，观察不同处理下的黑藻叶片。通过观察发现，第3 组细胞质流动的速度最快，但运动方向不受影响，与放置有关。实验结果表明，温度会影响细胞质流动的速度，随着温度升高，细胞质流动的速度加快，但温度超过一定的范围后，细胞质流动的速度又会减慢，推测原因是细胞质流动的动力来源于呼吸作用，而温度过低和过高都会抑制呼吸作用有关酶的活性，从而影响能量供应。

表1 温度对细胞质流动的影响

②光照强度。可通过不同功率的灯泡进行不同光照强度的处理。与设计具体的光照强度进行实验相比，本实验简单、易操作，可行性强，且能达到预期实验效果，具有一定的优点。具体实验设计如表2，分别在对应灯泡下处理10 min 后，按实验流程进行观察。本探究实验也可让多组同时进行操作，观察不同处理下的黑藻叶片。通过观察发现，第3 组黑藻细胞质流动的速度最快，但方向不受影响，与放置有关。实验结果表明，光照强度会影响细胞质流动的速度，一定范围内随着光照强度的增加，细胞质流动的速度加快，光照强度过高会抑制细胞质流动的速度。

表2 光照强度对细胞质流动的影响

③能量。由于细胞质流动需要消耗细胞呼吸产生的ATP，可通过添加适宜浓度葡萄糖溶液供应细胞呼吸产生ATP，或通过2% H2O2溶液抑制细胞呼吸的方法进行对照实验［5］，故设置清水组、0.5%葡萄糖溶液组及2% H2O2溶液组进行处理。实验设计如表3，分别在对应等量溶液下处理10 min 后，按实验流程进行观察。通过观察发现，第2 组黑藻细胞质流动的速度最快，但方向不受影响。实验结果表明，一定浓度的葡萄糖供应可促进细胞质流动的速度，而2% H2O2溶液处理的黑藻细胞叶绿体颜色和运动速度都会发生变化，使细胞质流动的速度变慢，表明能量的正常供应是细胞质流动所必需的。

表3 能量改变对细胞质流动的影响

温度、光照强度、能量的改变都能通过影响细胞的生理活性进而影响细胞质的流动。以上3 个实验所需条件、材料及试剂都是常用的，所有学校都可开展相关拓展实验。此实验的拓展设计目的也是让学生都可参与、体验观察细胞质的流动，此举能极大提升实验可操作性，也能帮助学生理解温度、光照强度和能量的改变对植物细胞生命活动的重要影响。