“渗透作用实验”是高中生物学课程中的经典实验,人教版高中生物(必修1)“分子与细胞”多年来一直沿用该实验作为突出这一章节重点、突破难点的辅助手段。学生通过观察、分析渗透现象,认识生物膜的选择透过性,了解渗透作用及其发生条件,为进一步学习细胞的吸水和失水现象建立了良好的知识铺垫。但如何做好该实验才能达到预期效果?教科书的渗透装置存在一些不足,笔者通过对其进行了探索和改进,取得了良好的实验效果。现介绍如下,以供参考。

一、对实验装置的改进

教材中的实验装置如图1所示,该装置中长颈漏斗呈下大上小的钟形,半透膜需套在下端,在实际操作中,由于钟形长颈漏斗下部口径大,要求制取的半透膜的面积较大,在实验材料的准备过程中很难寻到理想的半透膜,而且在套膜、结扎上也较麻烦,经常会出现结扎不严密或半透膜破损等操作困难的问题。另外长颈漏斗上部管径也不够细小,造成漏斗内水柱上升幅度小且速度缓慢,实验现象不明显。这留下了很多思考和创造的空间。关于渗透作用演示实验装置的改进,已有不少教师做了很多的尝试,笔者进一步将装置做了如下改进(图2)。

(1)用带刻度的移液管代替长颈漏斗。由于长颈漏斗的玻璃管内径大,也没有刻度,所以管内液面上升速度慢,读数也不方便,而带有刻度的移液管可以短时间内直接读取液面上升的高度。注意在实验过程中要根据需要选择移液管的大小,如果移液管管径过小,易产生气柱,移液、装管困难;如果移液管管径过大,则实验现象不明显。实验表明,用体积为5 mL的移液管(长颈的直径范围在4~7 mm)效果较好。

(2)由于钟形长颈漏斗下部口径大,要求制取的半透膜膜面积较大,在实际操作中很难找到合适大小的半透膜(生物膜),而且在套膜、结扎上较麻烦,所以将装置下部口径细化,将半透膜直接套在了移液管下端并结扎。

二、半透膜材料的选择

该实验能否获得直观的效果,半透膜的选择至关重要。半透膜材料大致可分为生物材料与非生物材料两种。常用的生物材料有鸡蛋的卵壳膜、鱼膘、肠衣等;而非生物材料有玻璃纸、火棉胶等。教材中选用玻璃纸作为半透膜材料。但该章节重在培养学生对生物膜选择透过性的理解,而玻璃纸与生物膜有一定的差异,所以选用玻璃纸进行实验缺乏说服力,而且玻璃纸来源渠道窄,很难购买。所以选用生物材料取代玻璃纸作为半透膜的材料比较合适。其中,鸡蛋膜或者鱼鳔为较常使用的半透膜材料。到底哪一种材料的实验效果更好?笔者通过实验比较了鸡蛋膜和鱼鳔作为半透膜材料的优缺点,以期选择出最佳的半透膜材料。

1.半透膜的制备

(1)鸡蛋卵壳膜的处理

鸡蛋卵壳膜简称蛋膜,在生鸡蛋稍尖的一端,轻轻敲出直径大小约1.2 cm的小孔,倒出蛋清和蛋黄,留下蛋壳用清水洗净,然后分别用下列两种方法处理:(1)浸泡在质量分数为15%的盐酸中15~20 min。(2)浸泡在醋酸中(也可用食用醋或者冰醋酸)24 h。处理期间需经常翻动蛋壳,以使蛋壳能均匀浸泡在液体中,待蛋壳变薄变脆后,轻轻用力剥出蛋膜。

结果分析:比较两种处理蛋膜的方法,发现使用15%的盐酸处理蛋壳获取半透膜效果更好。醋酸处理虽然条件较温和,但耗时太长(至少需要24 h),操作不方便。笔者反复比较两种处理方法制取的半透膜材料的渗透效果,发现并没有明显的差异。因此,笔者建议使用15%的盐酸处理蛋壳获取半透膜。

(2)鱼鳔的处理

取鱼鳔(鲢鱼或鳙鱼市场临时购买),用剪刀或者刀片切去后室(即小的一端),留着前室(大的一端),切口大小略大于移液管的下端,以便于包裹,用橡皮筋系好。鱼鳔需现买现剖现制。

2.不同半透膜材料渗透效果的比较

选用图2装置进行实验,所用蔗糖浓度为0.3g/mL,10 min后测定图2装置中水柱液面上升的高度,结果见表1。

结果与分析:由表1可知,鸡蛋膜为半透膜的装置管内液柱上升的高度远远大于鱼鳔。10 min后,前者液面上升11.0 mm,而后者的液面只上升0.10 mm,液柱几乎没有变化。可能是由于鱼鳔质地比较厚,影响了水的扩散,使管内水柱上升速度变慢,而且鱼鳔需要现买现剖现制,腥味浓厚,不方便购买、操作和保存;而鸡蛋来源广,成本低,易保存,蛋膜制作过程也相对较简单。因此,笔者认为蛋膜为更理想的半透膜材料。

三、渗透溶液浓度选择

半透膜两侧的浓度差会影响渗透作用的效率。教材中的渗透作用示意图和实验“观察植物细胞质壁分离与复原”使用的都是质量分数为0.3 g/mL的蔗糖溶液。实验时渗透速率较慢,现象不太明显。为了提高演示实验的效果,笔者探究了不同浓度蔗糖溶液对渗透作用效果的影响。分别用质量分数为0.1 g/mL、0.2 g/mL、0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL的蔗糖溶液进行实验,测定一定时间内管内液柱上升的高度,结果见表2。

结果与分析:由表2可知,管内液柱上升的速率与半透膜两侧溶液浓度差呈正相关。蔗糖溶液浓度为0.1g/mL时水柱上升速度缓慢,为0.21mm/min;随着蔗糖浓度的增加,水柱上升的速率增加。当蔗糖溶液浓度等于或者大于0.3 g/mL时,水柱上升的速率明显加快。当蔗糖溶液浓度为0.3 g/mL时,水柱上升速度达到0.62 mm/min;当蔗糖溶液浓度为0.5g/mL时,达到0.98mm/min。液面上升现象直观明了。

结果表明:蔗糖溶液浓度过低时,渗透现象不明显;而浓度过高时(一般超过0.5 g/mL)又会破坏生物膜的透性,不同生物膜材料对溶液的耐受能力不同,对于以蛋膜为半透膜材料的装置,质量分数为0.4~0.5 g/mL的蔗糖溶液实验效果较好。

四、实验温度选择

研究温度对渗透作用效果的影响,将以蛋膜为半透膜材料的装置分别置于温度为28℃、35℃、42℃的环境中(蒸馏水和0.5 g/mL的蔗糖溶液),结果见表3。

结果与分析:由表3可知,在一定温度范围内,液柱上升速率与温度呈正相关。随着温度升高,渗透作用速率加大。28℃时,10 min内液注上升11mm,而在42℃时,液柱能上升16 mm,渗透现象显着增强。提高温度使清水和蔗糖溶液分子的运动速度加快,渗透速度也随之加快。但温度过高会破坏半透膜的透性,不同的半透膜材料对温度的耐受能力不同,对于以蛋膜为半透膜材料的装置,将温度控制在35℃~40℃时渗透作用效果较好。

经过创新优化后的实验,整个实验所需要的时间为6~8 min,准备简单,操作方便,实验现象明显,便于课堂的演示。

当然,除上述因素外,还有很多其他因素也会影响到渗透作用效果,例如半透膜的有效面积、渗透膜内不同的溶液等都会影响到实验结果等,还有待进一步探索和改进。