孙 娟 于长红
(首都师范大学附属回龙观育新学校 北京 102208)
初中教材中利用天竺葵探究光合作用产物淀粉的实验,选用银边天竺葵可实现很好的对照效果。然而,淀粉含量差异是叶片不同部位色素种类不同还是含量不同导致的,仍然值得师生进一步探讨。利用高中教材中“光合色素的提取与分离”实验,可对以上问题进行验证。为了促进学生更加全面、深刻地理解问题,还可从微观角度对该问题进行探究,通过显微镜观察叶片不同部位的临时切片,探索导致该现象的细胞层面成因。
在教学实践中,本实验方案在4—5月实施效果较好,其中,淀粉检测实验和叶片临时切片观察由生物学兴趣小组在课前提前完成,色素提取与分离实验则按照教材方法,由全体学生完成实验,兴趣小组还需利用课余时间探究叶片黄绿部分色素含量与种类的差异并完成实验报告。
在实验中,通过设置一系列启发式问题引领学生完成科学探究,学生在实验过程中始终处于积极的思考状态,通过探索现象产生的本质,学生综合运用知识的能力和科学素养均能得到提升,初、高中生物学知识也得到了有效衔接[1-2]。
1.1 实验材料 银边天竺葵、显微镜、载玻片、双刃刀片、盖玻片、研钵、剪刀、烧杯、培养皿、展层瓶、药匙、滤纸、碘液、无水乙醇、CaCO3、SiO2、层析液。
1.2 光合作用产物淀粉的检测
1)原理:淀粉遇碘变蓝,该显色反应灵敏度很高,可用作鉴别淀粉的定性方法。
2)淀粉检测方法: 随机选取银边天竺葵若干叶片置于无水乙醇中,隔水加热煮沸2~3min,直至叶片变为淡黄色; 取出叶片清水漂洗后平铺在培养皿中,滴加适量碘液,反应2~3min,用清水洗去碘液,观察叶片颜色[3]。
1.3 光合色素的提取与分离 将银边天竺葵叶片的绿色部分与黄色部分剪开,作为2份样品;参照人教版必修1《分子与细胞》中的方法[4-5]对2份样品分别进行色素的提取和分离实验。
1.4 叶片细胞显微观察 用双刃刀片切割叶片的绿色和黄色部分,获得叶片细丝并制备临时装片,在显微镜下观察样品的叶绿体分布情况。
2.1 叶片不同部位淀粉含量的比较 银边天竺葵叶片的边缘为淡黄色,中央部位为绿色。淀粉是天竺葵光合作用的重要产物之一,因此,按照1.2的方法处理叶片,鉴别绿色和黄色部位淀粉含量的差异,实验结果如图1所示(本文附图见封四)。
由图1可知,碘液染色后,蓝色主要集中在中央部位,说明叶片的绿色部分能通过光合作用产生并积累淀粉。叶片边缘部分几乎没有蓝色,说明黄色部位可能无法进行光合作用产生淀粉,或仅产生少量淀粉,由于细胞呼吸会消耗有机物,故叶片的黄色部位无法积累淀粉。
2.2 叶片不同部位光合色素含量的比较 叶片颜色差异能造成产物的差异,推测是2个部分的光合色素种类与含量存在差异导致的。因此,进一步将叶片的绿色和黄色部位分离(图2),并按照1.3的步骤对2部分样品分别进行光合色素的提取与分离,实验结果如图3所示。
由图3可以看到,叶片的绿色部位(图3左)有非常明显的胡萝卜素、叶黄素和叶绿素条带,且叶绿素a 和叶绿素b 含量都较为丰富。叶片的黄色部位(图3右)却只观察到非常浅的胡萝卜素条带,叶黄素和叶绿素条带几乎观察不到。由此可见,天竺葵叶片绿色和黄色部分不仅光合色素的种类不同,含量也有极大差异。
2.3 叶片不同部位叶绿体含量的比较 为进一步从微观水平解释造成叶片绿色和黄色部位差异的原因,将叶片绿色和黄色交界部位切成细丝,制备临时装片。在显微镜下观察黄绿交界部位的叶肉细胞中叶绿体的含量,实验结果如图4所示。
由图4可知,叶片的绿色部位在显微镜下整体呈绿色,含有较多的叶绿体(图4左);叶片的黄色部位(图4中)基本为无色透明状,但部分细胞中也含有少量叶绿体,尤其是保卫细胞,叶绿体的含量相对较多。从叶片绿色和黄色的交界部位(图4右)来看,绿色部位的叶绿体含量显著高于黄色部位。因此可知,天竺葵叶片的黄色部位无法积累淀粉,微观上的成因是其叶绿体含量不足。
通过实验证实,银边天竺葵的光合产物淀粉主要集中在叶片中央的绿色部位。宏观角度的实验证实了叶片绿色部位含有胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b 4种光合色素,而叶片黄色部位仅检测到少量胡萝卜素,因此,黄色部位光合作用能力非常弱。微观角度的实验证实了叶片绿色部位叶绿体的含量非常丰富,而黄色部分仅含有少量叶绿体。
本文对银边天竺葵叶片不同部位产生的淀粉含量不同这一问题进行了不同层次的探究,从浅到深,从宏观到微观,从现象到本质,循序渐进地引领学生在科学实践中探究生物学现象产生的根本原因。实验探究过程将初、高中生物学知识进行了有效衔接,能有效促进学生在知识学习中阶梯式上升,逐步提升学生思维能力和综合运用知识的能力,全面提高学生的科学素养。
“利用银边天竺葵贯穿初、高中光合作用教学”一文附图