逍遥学能 2014-06-10 10:27
湖南省郴州市第一中学高三258班 彭 程
湖南省郴州市第三中学高三10班 何慧玲 李燕玲 夏培智
1 问题的提出
细胞大小与物质运输的关系实验，是将含酚酞的，边长分别为1、2、3cm的琼脂块在NaOH溶液中浸泡10分钟，观察NaOH扩散的深度。实验结果是NaOH在不同边长的琼脂块中扩散的深度一致，约为0．5cm。
教材试图将这一模拟实验的结果迁移到细胞以解释细胞不能无限长大的原因，得出的实验结论是：(1)边长不同的琼脂块中，NaOH的扩散速度一致。(2)琼脂块的边长越大，表面积与体积之比值越小，NaOH扩散的体积与整个琼脂块的体积之比值越小。(3)通过模拟实验可以看出，细胞体积越大，其相对表面积越小，细胞的物质运输效率就越低；如果细胞太大，细胞核的“负担”就会过重。
在对实验结果进行分析讨论时，我们产生了疑问：细胞是由小长大的，有足够时间让物质从细胞外围扩散到细胞中心或反向扩散到细胞外围，如果把实验时间延长，较大的琼脂块的NaOH扩散的体积与整个琼脂块的体积之比值不就可以增加吗？琼脂块没有类似细胞膜的控制物质进出的边界，教材所述实验结论强调细胞的物质运输效率，而实验本身及教材所述实验结论却没有涉及到在物质运输中起关键作用的细胞膜，模拟实验结果跟细胞生命活动的平行关系明显吗？
我们感到此实验的情境与结果跟活细胞及其物质运输有较大区别，模拟实验与真实的细胞生命活动之间的平行关系不够明显，难以充分说明细胞不能无限长大的主要原因，教材的实验分析不够全面、不够深刻，有待完善（当然，教材编者出于整体的编写思路，无需对一个小局部全面着力，另外，不把实验分析详细或全面表述出来也是一种编教科书的技巧，确实应该给学生留下思考、分析的空间，由教师引导学生完成实验分析）。
2 主要的研究方法
2．1 文献法 上网搜索、浏览相关资料，下载典型资料；查阅大学教材。处理、分析获取的资料，确定研究方向和实验方案。
2．2 实验探究
2．2．1 第一次实验 将30g琼脂通过加热煮沸溶于1000mL水中，再加入1g酚酞试剂。注入大小和形状不同的容器中冷却，制成不同大小和形状的琼脂块。将琼脂块浸泡在0．1g/mL的NaOH溶液中，10分钟后取出，迅速吸干表面的NaOH溶液，在与表面垂直的方向切开琼脂块，测量NaOH扩散深度的平均值。
2．2．2 第二次实验 将2个直径5cm、高8cm的琼脂柱浸入NaOH溶液中，10分钟取出各自横切成3cm和5cm高的两段（切口处为上端），测量NaOH扩散深度。将3cm的两段置于空气中，5cm的两段放回NaOH溶液中，10分钟后取出切掉上端0．7cm的一段，测量NaOH扩散深度，同时测量置于空气中的3cm高的一段的NaOH扩散深度。3cm高的两段继续置于空气中，约4cm的两段放回NaOH溶液中，10分钟后取出切掉上端0．7cm的一段，测量NaOH扩散深度，同时测量置于空气中的3cm高的一段的NaOH扩散深度。
2．2．3 第三次实验 基本上为第二次实验的重复，验证实验结果的可靠性。
3 研究结果
3．1 实验结果 浸泡10分钟，NaOH在不同形状琼脂块中扩散的深度是一致的，平均值0．5cm。
第一次实验时，测量后50分钟清理桌面时，测得在未再浸泡的琼脂块中NaOH继续扩散的深度达到1．3cm。即浸泡时的扩散速度为0．05cm/min，不再浸泡的琼脂块内NaOH扩散速度为0．016cm/min。
第二次实验和第三次实验测得的数据虽有差异，但NaOH扩散深度的变化趋势相同。即：NaOH继续扩散的速度逐渐减慢，在置于空气中的琼脂块里，NaOH继续扩散的深度比在放回NaOH溶液的琼脂块里的慢（第一次实验测得第10～60分钟时段的扩散深度是置于空气中继续扩散的深度，没有对照测量把琼脂块放回NaOH溶液后的NaOH继续扩散深度，故设计第二次实验对比观察不同条件下的NaOH扩散深度）。
第一次实验
第10分
第20分
第30分
第40分
第60分
在NaOH溶液中扩散深度
0．5cm
在空气中继续扩散的深度
1．3cm
第二次实验
5cm段在NaOH溶液中扩散深度
0．5cm
0．8cm
1cm
3cm段在空气中继续扩散的深度
0．7cm
0．85cm
第三次实验
5cm段在NaOH溶液中扩散深度
0．6cm
0．9cm
1．0cm
5cm段在空气中继续扩散的深度
1．1
1．3
3cm段在空气中继续扩散的深度
0．8cm
0．9cm
1．0
1．2
3．2 该实验的相关报道 用细胞大小与物质运输的关系、实验、分析、疑问、无限长大等为关键词在百度和谷歌进行搜索，专业杂志和网络发表的相关作品可以分为两类：（1）实验操作类，包括实验操作演示的视频和对实验操作的小改进；（2）教学设计类。
对实验操作的改进，有实验材料的替换和琼脂块形状的改变等，如用果冻替换琼脂块和按照碘遇淀粉变蓝色的原理替换实验材料。改进后的实验操作有操作方面的所谓优点，也有缺点。由于教材介绍的实验操作简便可行，各种“改进”的必要性不大。例如，东北师大的王秀莉博士因细胞多为球状而建议把琼脂块改为琼脂球[1]，“改进”的理由是不充分的，因为细胞的形态多种多样，琼脂块的形状并不重要，重要的是在与琼脂块表面垂直的方向上测量NaOH的扩散深度，所以，王博士的“改进”没有价值。
各种教学设计在实验分析环节都是照本宣科，并没有对实验分析环节提出疑问或见解。仅有姜永均老师[2]指出该实验只是模拟了物质出入细胞的自由扩散方式，而作为活细胞有选择性地控制物质出入的主要方式──主动运输，在实验中则没能体现出来，致该实验存在不足之处而受到质疑。
姜老师建议巧妙地设置问题，呈现给学生，引导学生的思维发散开去，将书本中的前后知识联系起来，融会贯通，使他们洞悉现象与本质的差异，理解实验的科学性原则。姜老师的观点与我们的看法有相同之处，但姜老师在文中没有对实验结果进行深刻分析，没有指出引导学生进行实验分析的具体方法。我们对该实验的研究是独到的，对该实验的初步分析是一种创新见解。
3．3 实验现象中的疑点 在NaOH溶液中浸泡10分钟，NaOH在琼脂柱中的扩散深度达到0．5cm，切成两段，一段在NaOH溶液中再浸泡10分钟，一段置于空气中， NaOH在两截琼脂柱中继续向内扩散，而琼脂柱的外围红色消褪形成本色环，该浅色环的宽度还会随时间的延续而增加。这一现象用空气中的CO2进入琼脂柱来解释行不通。
4 分析与讨论
4．1 模拟实验与真实的细胞生命活动之间的平行关系不太明显
4．1．1 活细胞的边界细胞膜有控制物质进出细胞的作用，琼脂块没有这样的边界，NaOH溶液在琼脂块中的扩散只相当于细胞内的物质的扩散运输，该实验的结果不能说明细胞表面之细胞膜的重要作用。
4．1．2 活细胞在细胞质流动时的胞内物质扩散运输的速度会增加，细胞内的细胞器还有特殊的物质转运方式。
4．1．3 观察实验结果的方法与指标是测量NaOH在一定时间内的扩散深度，也可得出“细胞太大，物质从细胞外围部分远距离运送到细胞中心部分有困难”的结论，但这一结论又会产生疑问，因为细胞是由小长大的、持续生活的，细胞长到较大体积的过程中，细胞中心的物质有足够时间扩散到外围部分，外围部分的物质也能扩散到细胞中心（12．5小时后，即第二天清早，在各个琼脂块中，NaOH都扩散到中心），细胞质的流动还可以使这种胞内的物质运输加速。
可见，物质在琼脂块中的扩散与在细胞中的扩散是有差异的，用模拟实验的情境与结果解释细胞为什么不能无限长大缺乏较强的说服力。
4．2 模拟实验难以充分说明细胞不能无限长大的主要原因 “物质运输效率”的说法并不能使我们认识和理解问题的实质，与其说细胞太大物质运输效率低，不如说细胞膜相对于细胞的需要而言“负担”重。因为细胞越大，需要通过细胞膜吸收和排出的物质越多，细胞的大小变化对细胞膜的物质运输速度（单位时间内通过单位面积细胞膜的物质量）的影响不大，而细胞膜的物质运输速度主要受载体、能量和浓度差等因素的影响，是有限度的，即在除了细胞大小不同的其他条件相同的情况下，物质通过细胞膜的自由扩散、协助扩散和主动运输的速度是一定的。
第二、三次实验的结果显示，浸泡在NaOH溶液中的琼脂柱，NaOH在其内扩散速度快；取出后置于空气中时，NaOH在其内扩散速度减慢。这不仅说明NaOH的扩散速度要靠浓度差维持，也说明在细胞膜允许物质快速通过的情况下，跨过细胞膜到达细胞膜内侧的物质才能以较快速度向细胞中心扩散，证明细胞膜控制下的物质进出细胞的速度有限会影响细胞内部的物质扩散、传递的速度。有些细胞表面形成很多突起，例如人体小肠粘膜细胞的微绒毛大大增加了细胞膜的总面积，也说明细胞膜在决定细胞与周围环境交换物质的效力时起决定作用。
以“表面积 / 体积”之比值来分析细胞不能无限长大，主要原因是细胞体积增大，细胞表面积与体积之比值减小，而物质通过细胞膜的运输速度有限，细胞膜对细胞的物质供应与废物排出方面的负担加重而“不堪重负”。模拟实验的情境、结果与教材的结论不能很好地印证这一主要原因。如果以此模拟实验为依据来讨论“表面积 / 体积”之比跟细胞物质运输效率的关系，得出前文提及的教科书所述结论，是会给师生留下疑惑的。
4．3 细胞大小及其分析[3] 各种细胞的体积相差较大，细胞核的大小悬殊却不大。一个细胞核内所含的遗传信息量是有一定限度的，能控制细胞质的活动也是有限度的，因此一个细胞核能控制细胞质的量也必有一定限度，细胞的体积不能无限长大。在体积较大的原生动物细胞中出现大核与小核的分工，以及动物细胞的多核现象可能与否缓冲核质比例有关。
细胞类型
支原体细胞
细菌细胞
动植物细胞
原生动物细胞
直径/μm
0．1～0．3
1～2
20～30(10～50)
数百至数千
特殊细胞
鸵鸟卵细胞
人卵细胞
人白细胞
人红细胞
直 径
5cm
200μm
3～4μm
7μm
细胞内物质的交流运输与细胞体积的关系。细胞内的物质从一端向另一端运输或扩散是有时间与空间关系的，假如细胞体积很大，势必影响物质传递与交流的速度，细胞内的生命活动就不能灵敏地调控和缓冲。有一些原生动物细胞的伸缩泡等可能起着对细胞内环境进行调节的作用。
卵细胞的体积偏大，是因为早期胚胎发育是受储存在卵细胞中的信使RNA与功能蛋白调控的，并利用预先储存在卵细胞细胞质中的养料，因此，卵细胞生长时逐渐在细胞质中储存了大量mRNA、蛋白质与养料，同时卵细胞与周围环境交换物质很少，卵细胞的体积大主要因细胞质扩增所致。
细胞的分化、分工也能部分的调整细胞大小与细胞结构、功能之间的的关系，提高细胞的物质运输效率。如人的红细胞的细胞核和一些细胞器退化，腾出了容纳血红蛋白的空间，细胞体积相对变小，缩短了O2在细胞内的运输距离。
5 结论与建议
5．1 实验操作的关键 材料相同的琼脂块，不论大小、形状如何，在同一时段内，NaOH在其内的扩散速度是相同的，实验操作时对琼脂块的大小形状不必严格规定，关键是从与表面垂直的方向测量NaOH的扩散深度，每个琼脂块可选多个点测量取平均值进行比较，然后取所有琼脂块的平均值，计算一系列大小不同的规则几何体如正方体的相关比值（表面积/体积，NaOH扩散体积/整个几何体的体积，结果见图1）。每班1、2个小组（节省材料），用适宜高度与直径的琼脂柱按前文第二次实验的方法分两个时间段做实验，两次测量数据，比较不同时段内和不同条件下的NaOH扩散速度，能够说明细胞不能无限长大的主要原因，如细胞膜起的关键作用。
5．2 严谨地进行实验分析 “细胞的物质运输效率”这一说法存在疑点，应从两个不同角度进行分析。即：（1）单位时间内物质在细胞内的扩散深度势必影响物质传递与交流的速度，细胞过大，细胞内的物质转运空间增大，速度变慢，生命活动就不能灵敏地调控和缓冲[3]，这限制了细胞的膜质比、核质比。即细胞膜总面积与细胞体积之比值关系，不能看着细胞不能无限长大的因，应看着细胞不能无限长大的果。（2）联系物质跨膜运输的方式，立足于细胞膜的物质转运能力是有限的，分析大小不同的细胞的细胞膜相对于细胞需要的负担大小，得出更加科学的结论。
5．3 构建几何模型直观地解释细胞不能无限长大的主要原因之一 如图2所示，大小不同的圆代表大小不同的细胞，各截取面积相同的、极小的细胞膜，构建顶点为细胞中心(圆心O )的锥体，由于锥体的体积等于底面积与高的乘积的1/3，两锥体的体积差异由锥体的高度（近似于细胞半径）决定，所以，局部细胞膜的负担跟细胞的半径成正比。
如果只用此实验说明细胞不能无限长大的原因而印证细胞分裂是生物体生长的主要原因，或许可以取消这个实验，用数学模型来说明问题的实质；如果注重探究活动与实验分析，则可以改一改实验操作的步骤，如进行两次测量和分时间段计算物质扩散速度（单位时间内的扩散深度），使实验的目标指向说明细胞膜在限制细胞长大方面的作用和过大细胞内部的物质转运空间增大、转运速度变慢而致生命活动不能灵敏地调控和缓冲。
6 收获与体会
通过研究，我们不仅掌握了细胞大小与物质运输的关系实验的操作要点，得出了更全面、更科学的实验结论，深刻地体会到细胞不能无限长大的主要原因和多细胞生物的长大主要依靠细胞增殖，提出了独到的见解。而且，在研究过程中，同学们基本掌握了利用电脑进行文献检索、资料搜集、信息处理的基本技能，置（质）疑、类比、分析、综合、批判等科学思维能力和表达见解的能力得到较好的训练，独立解决疑难问题的能力有较大提高，这对同学们才是最可贵的。【指导老师：湖南省郴州市第三中学 聂登福、彭文胜】
参考资料
[1]王秀莉 细胞大小与物质运输的关系模拟实验的改进 教学仪器与实验，2008(1)：24-25
[2]姜永均 关于细胞大小与物质运输关系的实验 教学仪器与实验 2006年第11期
[3]瞿中和等 细胞生物学 高等教育出版社 2001年5月第二次印刷 P．42～43