黑藻在高中生物学实验中的应用与推广

摘要

黑藻在沪科版（2020年）高中生物学必修1教材中可谓是一种“明星材料”，可用于细胞活性系列实验、光合作用系列实验等探究性实验活动之中。针对黑藻在高中生物学实验应用的拓展建议是：氧气的释放速率可以作为光合作用强度的检测指标；有条件的学校，还可以让学生开展课外探究活动，设计相关实验，以帮助学生建构知识和拓展思维。

Graphical abstract

关键词

高中生物学 / 实验 / 黑藻 / 高效课堂 / 应用 / 推广

黑藻属于水鳖科黑藻属植物，是我国淡水水域常见的单子叶多年生沉水植物，具有较强的适应能力和富集能力，容易在实验室中进行培养^［1］。将黑藻引入高中生物学实验之中，能够为高中生物学实验教学的顺利开展提供有益的参考，受到了师生的欢迎。

1 观察叶绿体和细胞质流动

1.1 实验原理

黑藻叶片由单层细胞构成，细胞内叶绿体多且体积大。细胞质流动，即胞质环流，它是一种直观动态的生命现象，活细胞的细胞质处于不断流动的状态，且细胞质流动的快慢能够真实地反映细胞新陈代谢的强弱，能够为细胞的活性提供有力的证据，在光学显微镜下细胞很容易被观察到。

1.2 实验过程

在实验观察时，以黑藻细胞中叶绿体的运动作为标志。观察前，将黑藻放在较强的光照下培养15～20 min，或者经25～30 ℃的温水处理后，取叶片制成临时装片，将其置于显微镜的高倍镜下，即可轻松地观察到叶绿体（图1）。

说明：即使叶绿体围绕透明液泡按顺时针或者逆时针方向移动，我们仍然能够看到叶绿体自身旋转运动等状态。

1.3 实验拓展建议

根据学生实验课堂的反馈可知，整个实验过程具有操作简单、效果明显的优点，在1/2课时（20 min）内即可观察到叶绿体及胞质环流的现象。故而，教师完全可以在该实验中加入一些拓展性的内容，既可以增加课堂的容量，更可以激发学生的探究兴趣。为此，笔者试列举加入的拓展内容如下。

（1） 根据黑藻叶绿体可结合碘液的染色原理，观察并验证光合作用的产物为淀粉。

（2） 黑藻叶肉细胞富含叶绿体，教师和学生可通过观察原生质体的胞质环流探究原生质体的活性，不仅观察效果好，而且操作方便。

（3） 龚琳等^［2］改进胞质环流实验时发现：采用1%的葡萄糖溶液可以加快细胞质流动，提高实验的成功率。

（4） 丙二酸钠可以抑制细胞能量的产生，基于这一原理，可采用1 mol/L丙二酸钠溶液或冰水进行处理，拓展探究影响黑藻细胞质流动速率的因素（包括温度等）。

2 观察外界溶液对质壁分离和复原的影响

2.1 实验原理

当植物细胞失去水分时，液泡体积减小，必然导致原生质体变形，然而细胞壁伸缩性较弱，造成部分区域的细胞质膜与细胞壁脱离，即发生质壁分离现象。据此，我们就可以将原生质体的体积变化作为判断植物细胞水分变化的标志。

2.2 实验过程

取黑藻叶片制作临时装片，采用对侧引流法在临时装片一侧滴加1～2滴30%蔗糖溶液，同时用吸水纸在另一侧进行引流，遂使得盖玻片下的黑藻叶片完全浸润在蔗糖溶液中。教师指导学生在显微镜高倍镜下进行观察，几分钟后即可观察到质壁分离的现象，其实验的局部效果如图2所示。

2.3 实验拓展建议

（1） 相比于传统实验材料紫色洋葱而言，黑藻叶片具有以下优势：①在制作临时装片时，黑藻取材比撕取洋葱表皮更加简便。②洋葱有刺激性气味。③洋葱表皮颜色不够深，造成观察、测量均比较困难；而黑藻富含叶绿体，其实验效果十分明显，便于观察。

（2） 整个实验操作较为简单，但由于30%蔗糖溶液浓度较高，复水后并没有观察到复原现象^［3］。对此，可以根据实际情况改变外界溶液浓度、溶液种类（如KNO₃）等，随后即可观察到质壁分离与复原现象，据此就可以判断原生质体的活性。将红墨水与30%蔗糖溶液按照1∶1的比例均匀混合，不仅可以重复黑藻叶片质壁分离实验，还可以验证原生质层具有选择透过特性。

（3） 任课教师也可以将实验1观察叶绿体和细胞质流动与实验2观察外界溶液对植物细胞质壁分离和复原的影响合并为一个实验，组织学生操作，节约教学时间；同时，利用一种材料完成多个实验，能够降低实验成本。

3 叶绿素的提取分离及含量的测定

3.1 实验原理

（1） 叶绿体色素具有亲脂性，能够溶于有机溶剂，可以利用乙醇或丙酮将它们从叶片中提取出来。不同色素在有机溶剂中的溶解度不同，在吸附载体上的吸附能力必然不同。基于此，不同色素随着有机溶剂在吸附载体上扩散的速度也就不同，这样很容易将它们彼此分离，效果颇佳，这种方法被称为层析法。

（2） 叶绿素具有特定的吸收波长，同时吸光度值与叶绿素a、叶绿素b的含量有关。据此可分别测定叶绿素在665 nm和649 nm处的吸光度，计算出相应的含量。

3.2 实验过程

（1） 称取1 g新鲜黑藻叶片，将其放入研磨过滤器装置中（图3）；向研磨过滤器中加入95%乙醇6 mL，经研磨过滤得到色素提取液。这一步骤能够缩短实验时间。

（2） 用玻璃毛细管提取色素提取液，在距聚酰胺层析薄膜底边1.5 cm处划线，晾干，重复前述操作3～5次；选用95%乙醇作为层析液进行层析操作（图3），最终自上而下可以得到：叶黄素、胡萝卜素、叶绿素a和叶绿素b的条带。聚酰胺薄膜层析结果与传统的滤纸结果有所区别，需要在实践中观察并分析其中的原因^［4］。

3.3 实验拓展建议

（1） 该实验使用黑藻作为色素提取材料，采用研磨过滤器装置可以快速获得色素提取液，比研钵更加高效、便捷，减少了教师的实验准备时间；学生以主体方式进行实验操作，体现了“双新”教育背景下的教学理念，提高了学生的学习积极性和实验参与度。

（2） 任课教师还可以根据课时安排，选取黑藻的老叶、嫩叶分别进行色素提取，再用分光光度计定量比较色素含量，分析其中的生物学意义。

4 影响光合作用强度的环境条件等探究实验

4.1 实验原理

（1） 光合作用：绿色植物通过叶绿体并利用光能将二氧化碳和水转化成有机物，释放氧气。

（2） 影响光合作用的外界条件包括温度、光照强度、CO₂浓度等，故通过改变温度、光照强度和CO₂浓度的方法，可以提高/降低光合作用的速度。

4.2 实验过程

（1） 以黑藻为材料，通过测定氧气释放量表达光合速率的变化。

（2） 利用黑藻的特点，依据氧气不易溶于水的性质，在反应瓶中加入等量的黑藻、不同浓度的NaHCO₃溶液，可探究不同浓度CO₂对光合作用速率的影响。

4.3 实验拓展建议

（1） 氧气的释放速率可作为光合作用强度的检测指标。可借助以上装置进一步探究温度、光照强度和光质等对黑藻光合作用的影响，使学生充分理解光合作用^［5］。

（2） 有条件的学校，还可以让学生开展课外探究活动，设计相关实验，以利于培养学生的科学潜质和实践能力，提高学生的创新素养。

选择实验室培养的黑藻，充分发挥“明星材料”黑藻特性，既能够降低成本、提高实验效率，又可促进“三维”目标的实现，使实验教学的课堂更加高效、精彩。由此引申出，教师应该从提高学生生物学科核心素养的目标出发，积极改进实验材料、方法和实验条件，自然能让学生感受到大自然的神奇并提升其探究生物奥秘的欲望。

参考文献

[1] 王春荣.黑藻的实验用途［J］.中学生物学，2014，30（11）：39.

[2] 龚琳，刘华友.“观察细胞质流动”实验的改进［J］.实验教学与仪器，2021，38（07/08）：54-55.

[3] 邵江樵.深度理解质壁分离及质壁分离自动复原的过程［J］.中学生理科应试，2021（09）：52-55.

[4] 陆德平.问：为什么叶绿体色素被层析后，滤纸条上色素带从上至下依次是：胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b？［J］.生物学通报，1995（05）：1.

[5] 戚智河.对沉水植物黑藻光合作用速度的实验探究［J］.生物学通报，2021，56（07）：45-48，63.