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對細胞大小與物質(zhì)運輸的關(guān)系實(shí)驗研究
1 問(wèn)題的提出
細胞大小與物質(zhì)運輸的關(guān)系實(shí)驗，是將含酚酞的，邊長(cháng)分別為1、2、3cm的瓊脂塊在NaOH溶液中浸泡10分鐘，觀(guān)察NaOH擴散的深度。實(shí)驗結果是NaOH在不同邊長(cháng)的瓊脂塊中擴散的深度一致，約為0．5cm。
教材試圖將這一模擬實(shí)驗的結果遷移到細胞以解釋細胞不能無(wú)限長(cháng)大的原因，得出的實(shí)驗結論是：(1)邊長(cháng)不同的瓊脂塊中，NaOH的擴散速度一致。(2)瓊脂塊的邊長(cháng)越大，表面積與體積之比值越小，NaOH擴散的體積與整個(gè)瓊脂塊的體積之比值越小。(3)通過(guò)模擬實(shí)驗可以看出，細胞體積越大，其相對表面積越小，細胞的物質(zhì)運輸效率就越低；如果細胞太大，細胞核的“負擔”就會(huì )過(guò)重。
在對實(shí)驗結果進(jìn)行分析討論時(shí)，我們產(chǎn)生了疑問(wèn)：細胞是由小長(cháng)大的，有足夠時(shí)間讓物質(zhì)從細胞外圍擴散到細胞中心或反向擴散到細胞外圍，如果把實(shí)驗時(shí)間延長(cháng)，較大的瓊脂塊的NaOH擴散的體積與整個(gè)瓊脂塊的體積之比值不就可以增加嗎？瓊脂塊沒(méi)有類(lèi)似細胞膜的控制物質(zhì)進(jìn)出的邊界，教材所述實(shí)驗結論強調細胞的物質(zhì)運輸效率，而實(shí)驗本身及教材所述實(shí)驗結論卻沒(méi)有涉及到在物質(zhì)運輸中起關(guān)鍵作用的細胞膜，模擬實(shí)驗結果跟細胞生命活動(dòng)的平行關(guān)系明顯嗎？
我們感到此實(shí)驗的情境與結果跟活細胞及其物質(zhì)運輸有較大區別，模擬實(shí)驗與真實(shí)的細胞生命活動(dòng)之間的平行關(guān)系不夠明顯，難以充分說(shuō)明細胞不能無(wú)限長(cháng)大的主要原因，教材的實(shí)驗分析不夠全面、不夠深刻，有待完善（當然，教材編者出于整體的編寫(xiě)思路，無(wú)需對一個(gè)小局部全面著(zhù)力，另外，不把實(shí)驗分析詳細或全面表述出來(lái)也是一種編教科書(shū)的技巧，確實(shí)應該給學(xué)生留下思考、分析的空間，由教師引導學(xué)生完成實(shí)驗分析）。
2 主要的研究方法
2．1 文獻法 上網(wǎng)搜索、瀏覽相關(guān)資料，下載典型資料；查閱大學(xué)教材。處理、分析獲取的資料，確定研究方向和實(shí)驗方案。
2．2 實(shí)驗探究
2．2．1 第一次實(shí)驗 將30g瓊脂通過(guò)加熱煮沸溶于1000mL水中，再加入1g酚酞試劑。注入大小和形狀不同的容器中冷卻，制成不同大小和形狀的瓊脂塊。將瓊脂塊浸泡在0．1g/mL的NaOH溶液中，10分鐘后取出，迅速吸干表面的NaOH溶液，在與表面垂直的方向切開(kāi)瓊脂塊，測量NaOH擴散深度的平均值。
2．2．2 第二次實(shí)驗 將2個(gè)直徑5cm、高8cm的瓊脂柱浸入NaOH溶液中，10分鐘取出各自橫切成3cm和5cm高的兩段（切口處為上端），測量NaOH擴散深度。將3cm的兩段置于空氣中，5cm的兩段放回NaOH溶液中，10分鐘后取出切掉上端0．7cm的一段，測量NaOH擴散深度，同時(shí)測量置于空氣中的3cm高的一段的NaOH擴散深度。3cm高的兩段繼續置于空氣中，約4cm的兩段放回NaOH溶液中，10分鐘后取出切掉上端0．7cm的一段，測量NaOH擴散深度，同時(shí)測量置于空氣中的3cm高的一段的NaOH擴散深度。
2．2．3 第三次實(shí)驗 基本上為第二次實(shí)驗的重復，驗證實(shí)驗結果的可靠性。
3 研究結果
3．1 實(shí)驗結果 浸泡10分鐘，NaOH在不同形狀瓊脂塊中擴散的深度是一致的，平均值0．5cm。
第一次實(shí)驗時(shí)，測量后50分鐘清理桌面時(shí)，測得在未再浸泡的瓊脂塊中NaOH繼續擴散的深度達到1．3cm。即浸泡時(shí)的擴散速度為0．05cm/min，不再浸泡的瓊脂塊內NaOH擴散速度為0．016cm/min。
第二次實(shí)驗和第三次實(shí)驗測得的數據雖有差異，但NaOH擴散深度的變化趨勢相同。即：NaOH繼續擴散的速度逐漸減慢，在置于空氣中的瓊脂塊里，NaOH繼續擴散的深度比在放回NaOH溶液的瓊脂塊里的慢（第一次實(shí)驗測得第10～60分鐘時(shí)段的擴散深度是置于空氣中繼續擴散的深度，沒(méi)有對照測量把瓊脂塊放回NaOH溶液后的NaOH繼續擴散深度，故設計第二次實(shí)驗對比觀(guān)察不同條件下的NaOH擴散深度）。
第一次實(shí)驗
第10分
第20分
第30分
第40分
第60分
在NaOH溶液中擴散深度
0．5cm
在空氣中繼續擴散的深度
1．3cm
第二次實(shí)驗
5cm段在NaOH溶液中擴散深度
0．5cm
0．8cm
1cm
3cm段在空氣中繼續擴散的深度
0．7cm
0．85cm
第三次實(shí)驗
5cm段在NaOH溶液中擴散深度
0．6cm
0．9cm
1．0cm
5cm段在空氣中繼續擴散的深度
1．1
1．3
3cm段在空氣中繼續擴散的深度
0．8cm
0．9cm
1．0
1．2
3．2 該實(shí)驗的相關(guān)報道 用細胞大小與物質(zhì)運輸的關(guān)系、實(shí)驗、分析、疑問(wèn)、無(wú)限長(cháng)大等為關(guān)鍵詞在百度和谷歌進(jìn)行搜索，專(zhuān)業(yè)雜志和網(wǎng)絡(luò )發(fā)表的相關(guān)作品可以分為兩類(lèi)：（1）實(shí)驗操作類(lèi)，包括實(shí)驗操作演示的視頻和對實(shí)驗操作的小改進(jìn)；（2）教學(xué)設計類(lèi)。
對實(shí)驗操作的改進(jìn)，有實(shí)驗材料的替換和瓊脂塊形狀的改變等，如用果凍替換瓊脂塊和按照碘遇淀粉變藍色的原理替換實(shí)驗材料。改進(jìn)后的實(shí)驗操作有操作方面的所謂優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。由于教材介紹的實(shí)驗操作簡(jiǎn)便可行，各種“改進(jìn)”的必要性不大。例如，東北師大的王秀莉博士因細胞多為球狀而建議把瓊脂塊改為瓊脂球[1]，“改進(jìn)”的理由是不充分的，因為細胞的形態(tài)多種多樣，瓊脂塊的形狀并不重要，重要的是在與瓊脂塊表面垂直的方向上測量NaOH的擴散深度，所以，王博士的“改進(jìn)”沒(méi)有價(jià)值。
各種教學(xué)設計在實(shí)驗分析環(huán)節都是照本宣科，并沒(méi)有對實(shí)驗分析環(huán)節提出疑問(wèn)或見(jiàn)解。僅有姜永均老師[2]指出該實(shí)驗只是模擬了物質(zhì)出入細胞的自由擴散方式，而作為活細胞有選擇性地控制物質(zhì)出入的主要方式──主動(dòng)運輸，在實(shí)驗中則沒(méi)能體現出來(lái)，致該實(shí)驗存在不足之處而受到質(zhì)疑。
姜老師建議巧妙地設置問(wèn)題，呈現給學(xué)生，引導學(xué)生的思維發(fā)散開(kāi)去，將書(shū)本中的前后知識聯(lián)系起來(lái)，融會(huì )貫通，使他們洞悉現象與本質(zhì)的差異，理解實(shí)驗的科學(xué)性原則。姜老師的觀(guān)點(diǎn)與我們的看法有相同之處，但姜老師在文中沒(méi)有對實(shí)驗結果進(jìn)行深刻分析，沒(méi)有指出引導學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗分析的具體方法。我們對該實(shí)驗的研究是獨到的，對該實(shí)驗的初步分析是一種創(chuàng )新見(jiàn)解。
3．3 實(shí)驗現象中的疑點(diǎn) 在NaOH溶液中浸泡10分鐘，NaOH在瓊脂柱中的擴散深度達到0．5cm，切成兩段，一段在NaOH溶液中再浸泡10分鐘，一段置于空氣中， NaOH在兩截瓊脂柱中繼續向內擴散，而瓊脂柱的外圍紅色消褪形成本色環(huán)，該淺色環(huán)的寬度還會(huì )隨時(shí)間的延續而增加。這一現象用空氣中的CO2進(jìn)入瓊脂柱來(lái)解釋行不通。
4 分析與討論
4．1 模擬實(shí)驗與真實(shí)的細胞生命活動(dòng)之間的平行關(guān)系不太明顯
4．1．1 活細胞的邊界細胞膜有控制物質(zhì)進(jìn)出細胞的作用，瓊脂塊沒(méi)有這樣的邊界，NaOH溶液在瓊脂塊中的擴散只相當于細胞內的物質(zhì)的擴散運輸，該實(shí)驗的結果不能說(shuō)明細胞表面之細胞膜的重要作用。
4．1．2 活細胞在細胞質(zhì)流動(dòng)時(shí)的胞內物質(zhì)擴散運輸的速度會(huì )增加，細胞內的細胞器還有特殊的物質(zhì)轉運方式。
4．1．3 觀(guān)察實(shí)驗結果的方法與指標是測量NaOH在一定時(shí)間內的擴散深度，也可得出“細胞太大，物質(zhì)從細胞外圍部分遠距離運送到細胞中心部分有困難”的結論，但這一結論又會(huì )產(chǎn)生疑問(wèn)，因為細胞是由小長(cháng)大的、持續生活的，細胞長(cháng)到較大體積的過(guò)程中，細胞中心的物質(zhì)有足夠時(shí)間擴散到外圍部分，外圍部分的物質(zhì)也能擴散到細胞中心（12．5小時(shí)后，即第二天清早，在各個(gè)瓊脂塊中，NaOH都擴散到中心），細胞質(zhì)的流動(dòng)還可以使這種胞內的物質(zhì)運輸加速。
可見(jiàn)，物質(zhì)在瓊脂塊中的擴散與在細胞中的擴散是有差異的，用模擬實(shí)驗的情境與結果解釋細胞為什么不能無(wú)限長(cháng)大缺乏較強的說(shuō)服力。
4．2 模擬實(shí)驗難以充分說(shuō)明細胞不能無(wú)限長(cháng)大的主要原因 “物質(zhì)運輸效率”的說(shuō)法并不能使我們認識和理解問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，與其說(shuō)細胞太大物質(zhì)運輸效率低，不如說(shuō)細胞膜相對于細胞的需要而言“負擔”重。因為細胞越大，需要通過(guò)細胞膜吸收和排出的物質(zhì)越多，細胞的大小變化對細胞膜的物質(zhì)運輸速度（單位時(shí)間內通過(guò)單位面積細胞膜的物質(zhì)量）的影響不大，而細胞膜的物質(zhì)運輸速度主要受載體、能量和濃度差等因素的影響，是有限度的，即在除了細胞大小不同的其他條件相同的情況下，物質(zhì)通過(guò)細胞膜的自由擴散、協(xié)助擴散和主動(dòng)運輸的速度是一定的。
第二、三次實(shí)驗的結果顯示，浸泡在NaOH溶液中的瓊脂柱，NaOH在其內擴散速度快；取出后置于空氣中時(shí)，NaOH在其內擴散速度減慢。這不僅說(shuō)明NaOH的擴散速度要靠濃度差維持，也說(shuō)明在細胞膜允許物質(zhì)快速通過(guò)的情況下，跨過(guò)細胞膜到達細胞膜內側的物質(zhì)才能以較快速度向細胞中心擴散，證明細胞膜控制下的物質(zhì)進(jìn)出細胞的速度有限會(huì )影響細胞內部的物質(zhì)擴散、傳遞的速度。有些細胞表面形成很多突起，例如人體小腸粘膜細胞的微絨毛大大增加了細胞膜的總面積，也說(shuō)明細胞膜在決定細胞與周?chē)h(huán)境交換物質(zhì)的效力時(shí)起決定作用。
以“表面積 / 體積”之比值來(lái)分析細胞不能無(wú)限長(cháng)大，主要原因是細胞體積增大，細胞表面積與體積之比值減小，而物質(zhì)通過(guò)細胞膜的運輸速度有限，細胞膜對細胞的物質(zhì)供應與廢物排出方面的負擔加重而“不堪重負”。模擬實(shí)驗的情境、結果與教材的結論不能很好地印證這一主要原因。如果以此模擬實(shí)驗為依據來(lái)討論“表面積 / 體積”之比跟細胞物質(zhì)運輸效率的關(guān)系，得出前文提及的教科書(shū)所述結論，是會(huì )給師生留下疑惑的。
4．3 細胞大小及其分析[3] 各種細胞的體積相差較大，細胞核的大小懸殊卻不大。一個(gè)細胞核內所含的遺傳信息量是有一定限度的，能控制細胞質(zhì)的活動(dòng)也是有限度的，因此一個(gè)細胞核能控制細胞質(zhì)的量也必有一定限度，細胞的體積不能無(wú)限長(cháng)大。在體積較大的原生動(dòng)物細胞中出現大核與小核的分工，以及動(dòng)物細胞的多核現象可能與否緩沖核質(zhì)比例有關(guān)。
細胞類(lèi)型
支原體細胞
細菌細胞
動(dòng)植物細胞
原生動(dòng)物細胞
直徑/μm
0．1～0．3
1～2
20～30(10～50)
數百至數千
特殊細胞
鴕鳥(niǎo)卵細胞
人卵細胞
人白細胞
人紅細胞
直 徑
5cm
200μm
3～4μm
7μm
細胞內物質(zhì)的交流運輸與細胞體積的關(guān)系。細胞內的物質(zhì)從一端向另一端運輸或擴散是有時(shí)間與空間關(guān)系的，假如細胞體積很大，勢必影響物質(zhì)傳遞與交流的速度，細胞內的生命活動(dòng)就不能靈敏地調控和緩沖。有一些原生動(dòng)物細胞的伸縮泡等可能起著(zhù)對細胞內環(huán)境進(jìn)行調節的作用。
卵細胞的體積偏大，是因為早期胚胎發(fā)育是受儲存在卵細胞中的信使RNA與功能蛋白調控的，并利用預先儲存在卵細胞細胞質(zhì)中的養料，因此，卵細胞生長(cháng)時(shí)逐漸在細胞質(zhì)中儲存了大量mRNA、蛋白質(zhì)與養料，同時(shí)卵細胞與周?chē)h(huán)境交換物質(zhì)很少，卵細胞的體積大主要因細胞質(zhì)擴增所致。
細胞的分化、分工也能部分的調整細胞大小與細胞結構、功能之間的的關(guān)系，提高細胞的物質(zhì)運輸效率。如人的紅細胞的細胞核和一些細胞器退化，騰出了容納血紅蛋白的空間，細胞體積相對變小，縮短了O2在細胞內的運輸距離。
5 結論與建議
5．1 實(shí)驗操作的關(guān)鍵 材料相同的瓊脂塊，不論大小、形狀如何，在同一時(shí)段內，NaOH在其內的擴散速度是相同的，實(shí)驗操作時(shí)對瓊脂塊的大小形狀不必嚴格規定，關(guān)鍵是從與表面垂直的方向測量NaOH的擴散深度，每個(gè)瓊脂塊可選多個(gè)點(diǎn)測量取平均值進(jìn)行比較，然后取所有瓊脂塊的平均值，計算一系列大小不同的規則幾何體如正方體的相關(guān)比值（表面積/體積，NaOH擴散體積/整個(gè)幾何體的體積，結果見(jiàn)圖1）。每班1、2個(gè)小組（節省材料），用適宜高度與直徑的瓊脂柱按前文第二次實(shí)驗的方法分兩個(gè)時(shí)間段做實(shí)驗，兩次測量數據，比較不同時(shí)段內和不同條件下的NaOH擴散速度，能夠說(shuō)明細胞不能無(wú)限長(cháng)大的主要原因，如細胞膜起的關(guān)鍵作用。
5．2 嚴謹地進(jìn)行實(shí)驗分析 “細胞的物質(zhì)運輸效率”這一說(shuō)法存在疑點(diǎn)，應從兩個(gè)不同角度進(jìn)行分析。即：（1）單位時(shí)間內物質(zhì)在細胞內的擴散深度勢必影響物質(zhì)傳遞與交流的速度，細胞過(guò)大，細胞內的物質(zhì)轉運空間增大，速度變慢，生命活動(dòng)就不能靈敏地調控和緩沖[3]，這限制了細胞的膜質(zhì)比、核質(zhì)比。即細胞膜總面積與細胞體積之比值關(guān)系，不能看著(zhù)細胞不能無(wú)限長(cháng)大的因，應看著(zhù)細胞不能無(wú)限長(cháng)大的果。（2）聯(lián)系物質(zhì)跨膜運輸的方式，立足于細胞膜的物質(zhì)轉運能力是有限的，分析大小不同的細胞的細胞膜相對于細胞需要的負擔大小，得出更加科學(xué)的結論。
5．3 構建幾何模型直觀(guān)地解釋細胞不能無(wú)限長(cháng)大的主要原因之一 如圖2所示，大小不同的圓代表大小不同的細胞，各截取面積相同的、極小的細胞膜，構建頂點(diǎn)為細胞中心(圓心O )的錐體，由于錐體的體積等于底面積與高的乘積的1/3，兩錐體的體積差異由錐體的高度（近似于細胞半徑）決定，所以，局部細胞膜的負擔跟細胞的半徑成正比。
如果只用此實(shí)驗說(shuō)明細胞不能無(wú)限長(cháng)大的原因而印證細胞分裂是生物體生長(cháng)的主要原因，或許可以取消這個(gè)實(shí)驗，用數學(xué)模型來(lái)說(shuō)明問(wèn)題的實(shí)質(zhì)；如果注重探究活動(dòng)與實(shí)驗分析，則可以改一改實(shí)驗操作的步驟，如進(jìn)行兩次測量和分時(shí)間段計算物質(zhì)擴散速度（單位時(shí)間內的擴散深度），使實(shí)驗的目標指向說(shuō)明細胞膜在限制細胞長(cháng)大方面的作用和過(guò)大細胞內部的物質(zhì)轉運空間增大、轉運速度變慢而致生命活動(dòng)不能靈敏地調控和緩沖。
6 收獲與體會(huì )
通過(guò)研究，我們不僅掌握了細胞大小與物質(zhì)運輸的關(guān)系實(shí)驗的操作要點(diǎn)，得出了更全面、更科學(xué)的實(shí)驗結論，深刻地體會(huì )到細胞不能無(wú)限長(cháng)大的主要原因和多細胞生物的長(cháng)大主要依靠細胞增殖，提出了獨到的見(jiàn)解。而且，在研究過(guò)程中，同學(xué)們基本掌握了利用電腦進(jìn)行文獻檢索、資料搜集、信息處理的基本技能，置（質(zhì)）疑、類(lèi)比、分析、綜合、批判等科學(xué)思維能力和表達見(jiàn)解的能力得到較好的訓練，獨立解決疑難問(wèn)題的能力有較大提高，這對同學(xué)們才是最可貴的。
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