实验探究

俞天泽 卢君辉

1问题和困惑

几年前，我曾经制作了一个生态瓶，瓶中放了水生植物和小金鱼，每天观察瓶中生物的变化。可是，令我迷惑不解的事发生了——瓶中的金鱼总是喜欢趁我不注意往外跳。放学回到家，我经常发现金鱼已经躺在桌子上死掉了，这到底是为什么呢？在水里待得好好的，为什么非要自寻死路往外跳呢？究竟是什么刺激了金鱼往外跳呢？

我被这个问题困扰了很久，其间也查阅了一些文献资料。金鱼是由鲫鱼经过人工驯化选育形成的品种，远在晋朝就有金鱼祖先——“赤鳞鱼”的文字记载。金鱼是我们中国人特别喜爱的观赏鱼种，民间饲养金鱼非常普遍，饲养过程中发生跳缸的现象也困扰着很多养鱼爱好者。网上对金鱼跳缸的原因众说纷纭：有的说是因为缺氧，有的说是水质太差，还有的说是金鱼受到了惊吓。那么，到底是什么原因导致金鱼跳缸呢？

2实验机会

2023年暑假，我参加了国家自然博物馆“小小研究生”暑期科学探究班。成为正式学员后，我与老师进行了详细讨论，罗列了几个最有可能导致金鱼跳缸的原因：

★水中溶解氧降低；

★有毒代谢废物（氨氮或亚硝酸盐）的累积；

★突然的强光刺激；

★突然的声音振动惊吓。

我们打算用实验一个个来验证、排查。随后，我们讨论了后续实验的具体步骤，确定了都需要用到哪些实验设备和材料，形成了一套大致的研究方案。

3实验设备和材料

养鱼用的大塑料整理箱、壁挂过滤器、增氧泵、40条金鱼、检测水中氨氮和亚硝酸盐的试剂盒、晾晒过后的清水、烧开后密封冷却去除溶解氧的清水、氯化铵、亚硝酸钠和手电筒。

4实验过程

● 缺氧和惊吓惹的祸？ ●

首先，我要验证的一个原因——因缺氧导致金鱼急于逃离恶劣环境而跳缸。我把金鱼随机平均分成了实验组和对照组。

对照组用增氧泵鼓气，保证溶解氧充足而稳定。

实验组通过换入烧开后密封冷却的清水（这样可以去除水中溶解氧）来快速降低水体中的溶解氧浓度，对比观察这两组金鱼的表现。

从图1可以看到，实验组的溶解氧浓度迅速下降，当出现第一条死亡的金鱼时，水中溶解氧浓度已经非常低了，其他金鱼也都无精打采地趴在鱼缸底部。而对照组的溶解氧浓度一直维持在稳定的水平，金鱼全都活蹦乱跳，活得好好的。然而随着实验组因缺氧导致金鱼一条条死亡，却没有任何一条金鱼从缸中跳出来！

看来溶解氧浓度骤降并不会导致金鱼跳缸，我怀疑是因为溶解氧浓度降得太快，导致金鱼没有足够的反应时间产生跳缸行为，就已经没有体力了。

于是我开始了第二阶段的实验：通过调节增氧泵让水中溶解氧浓度缓慢下降，给金鱼充足的反应时间，看看这次它们会不会跳缸。

通过图2可以看到，在长达14天的实验过程中，随着溶解氧浓度缓慢降低，金鱼依旧没有任何跳缸行为出现！看来缺氧并不是导致金鱼跳缸的罪魁祸首。

随后我又尝试在白天、黑夜等不同的时间点用手电筒的强光去突然刺激金鱼，也尝试了用手拍打缸壁来惊吓金鱼，但是无论怎么尝试，金鱼依旧没有任何跳缸的迹象。看来缺氧、光照刺激、拍打振动都不是导致金鱼跳缸的主要因素，那么元凶究竟是什么呢？

● 锁定凶手●

排除了缺氧、光照刺激、拍打振动三个因素，那么只剩下唯一一个因素——有毒代谢废物的累积。如果这个因素也被排除，那金鱼跳缸之谜就很难解开了。

在與老师的交流中我得知，金鱼从进入水中的那一刻开始，水中就不断发生着肉眼看不见的神奇化学变化。

金鱼吃的食物会形成粪便和尿液排到水中，代谢废物中含有的蛋白质，在水中微生物的作用下，会被分解成小分子的氨氮，这种东西对鱼类是有毒的！然后，氨氮会在硝化细菌的作用下，以极缓慢的速度转化成亚硝酸盐，这同样是一种有毒的物质！随着金鱼越吃越多、越排越多，这两种有毒物质在水中不断积累，最终导致鱼类死亡。

那么氨氮和亚硝酸盐这两种物质是导致金鱼跳缸的因素吗？ 我马上开始实验验证。

我将金鱼随机平均分成实验组和对照组。

※对照组通过开启过滤器、换水等方式维持水质清洁干净；

※实验组不换水，任由代谢废物缓慢积累。

这期间我用水质检测试剂定时测量记录两组的氨氮和亚硝酸盐浓度，进行对比观察。

实验进行到第五天时，实验组的氨氮浓度逐渐升到1.5mg/L，实验组有4条金鱼出现了跳缸现象。而对照组氨氮浓度仅仅升高到1.2 mg/L就不再升高，没有任何一条金鱼跳缸，看来我们离真相越来越近了。实验继续进行，实验组氨氮浓度一直维持在1.5mg/L的高位，跳缸现象也天天发生，与之形成鲜明对比的是对照组一直非常平静，金鱼从未发生跳缸。这整个过程中，两组亚硝酸盐的浓度一直处于很低的水平，那么能够影响金鱼的只有一个因素——氨氮浓度！

为了验证这一结论，也为了防止水中可能有其他不为人知的物质干扰实验结果，我又进行了一次实验。这次我在实验组中人工加入了氯化铵（氨氮的一种形式），使实验组水中的氨氮浓度瞬间达到1.5mg/L，而对照组的氨氮浓度一直控制在1.0 mg/L以下。神奇的现象再次出现了，此后的四天里，实验组每天都有4～6条金鱼跳缸，而对照组依然风平浪静。

跳缸谜案终于真相大白：水中的代谢废物——氨氮积累到约1.5mg/L的浓度时，就会导致金鱼跳缸。

5答辩和思考

我的研究圆满成功，我把我的研究成果撰写成论文，通过论文答辩，才算正式“毕业”。答辩会上，有几位水生生物领域的专家对我的研究进行提问、点评和指导，指出了我实验中考虑不周的地方，让我获益良多。最后，我用我这次的研究成果给所有喜爱饲养金鱼或其他观赏鱼的小伙伴们提个醒：为了观赏鱼的健康和生命安全，一定要关注水质情况，用过滤器或者勤换水的方法降低氨氮的浓度，给鱼儿营造一个舒适的生活环境，这样它们就不会用“跳缸”这种极端方式来回应你啦！

指导教师评语

科学探究有时像极了侦探破案，俞天泽同学的研究过程很好地演绎了这一点：从“金鱼总是跳缸”的谜案著手，基于经验、咨询、查阅资料等“寻找线索”的方法，提炼出几种最有可能的影响因素作为“嫌疑人”，然后通过实验一一筛查排除，原来罪魁祸首是金鱼的代谢废物产生的“氨氮”，幕后黑手被揪出，最终真相大白。

这项研究十分难得之处在于，选题来自俞同学饲养金鱼时遇到的疑问，可网上五花八门的解答并不能令人信服，他通过亲手实验获得科学合理的解释，最终的结果又很好地指导了他的饲养实践，提高了他的饲养水平。这难道不像人类科学发展史的一个小小的缩影吗？