细胞结构和功能的实验研究方法

细胞结构和功能的实验研究方法在高中生物学的教学中，通过切实可行的实验研究方法，深入认识细胞结构和功能，是十分必要的。这主要包括使用显微镜观察和分级离心等技术的运用。一、细胞形态结构的观察——显微镜观察法显微镜是中学生物实验教学中的最常用的仪器。熟练地使用高倍显微镜观察不同细胞的结构和功能，是高中生物课程标准要求的重要的实验操作技能。1显微镜的结构和使用原则1.1显微镜结构和功能的熟悉目镜长度与放大倍数成“反比”，即目镜越长，放大倍数越小；目镜越短，放大倍数越大。物镜长度与放大倍数成“正比”，即镜头越长，放大倍数越大。焦距调好后，镜头与盖玻片的距离越远，物镜越短，放大倍数越小；反之，放大倍数越大。显微镜的放大倍数为目镜放大倍数与物镜放大倍数的乘积。显微镜下视野（是指在显微镜下一次所能观察到的被检玻片标本的范围）中所看到的物象为真实物象的倒立放大的虚象。由于低倍物镜的通光量比高倍物镜的通光量大，所以低倍镜下的视野较明亮；而高倍物镜下，虽然放大倍数大，实际观察到的标本区域小，视野较暗例1使用显微镜时，所选用的物镜倍数愈大，则下列哪一项叙述不正确？（C）A．物镜前端愈接近玻片标本B．物镜前端的透镜片直径愈小C．物镜的镜筒长度愈短D．物镜下视野的亮度愈小1.2显微镜的使用程序和原则：1.2.1操作的基本程序：取镜——安放——对光——制片——观察1.2.2把握好几个原则：①用眼原则：左眼注视目镜，右眼睁开。这样，一可减轻左眼疲劳，二可方便绘图。②物镜选用原则：先低倍后高倍，由低倍到高倍。可用低倍物镜观察清楚的就勿需使用高倍物镜。③准焦螺旋使用原则：先粗后细，由粗到细。1.2.3显微镜下视野出现异物几种情况的判断：如移动装片异物不动，说明不在装片上；转动转换器，换上高倍镜，仍可观察到，说明不在物镜上；由此，可判断异物在目镜上。2活细胞观察法在高中生物课程标准实验教科书中，根据对生物实验材料观察的要求，可以分为活细胞观察法和固定观察法。选用活细胞观察法进行的实验探究的有“使用高倍显微镜观察几种细胞”（必修模块1：P.7-8）、“用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体”（必修模块1：P.47）、“植物细胞的吸水和失水”（必修模块1：P.61-62）等。2.1用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体2.1.1实验材料的选择：观察叶绿体时，宜选用叶绿体大、数目少的材料。如阴生植物藓类的叶、菠菜叶的下表皮（稍带叶肉）等。由于在不同的光照下，叶绿体可以运动并改变在细胞中的分布位置。所以，在不同光照下采集的材料，其叶内叶绿体的形态有所不同。观察线粒体时，一定要用消毒牙签在自己漱净的口腔内侧壁上轻轻刮取，避免破血，以影响涂片和观察效果。2.1.2临时装片的制作基本程序：净片→滴液→取材→平展→盖片应该注意的问题：将选取的观察材料要放在滴有清水（或健那绿染液）的载玻片上，以使细胞仍然保持在生活状态，便于观察。2.2探究植物细胞的吸水和失水——植物细胞的质壁分离与复原2.2.1实验操作的简要程序2.2.2实验操作成功的关键：①选择生活的、成熟的（具有大液泡）、有颜色的（如紫色洋葱）植物细胞。②所选蔗糖溶液的浓度要适宜（质量浓度为0.3g/mL）。例2观察植物细胞的质壁分离和复原时，如选用蔗糖的质量浓度为0.5g／mL的溶液时，可观察到质壁分离现象很明显，但不能复原，检查操作步骤都正确。分析造成此实验失败的原因是。（参考答案：细胞因过度失水而死亡，故不能发生质壁分离复原。）例3用高倍显微镜观察已制作好的原生质体的临时装片（原生质体处于质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液中）时，应主要观察记录什么？（参考答案：观察测量原生质体的体积大小变化。）2.2.3植物细胞质壁分离后复原的类型——诱发复原与自动复原在植物细胞的质壁分离与复原实验中，一般选用的外界溶液是质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液。用蔗糖溶液处理活的植物细胞后，蔗糖溶液的浓度大于植物细胞液的浓度时，植物细胞通过渗透作用失水而发生质壁分离。要使发生了质壁分离的植物细胞恢复原状，必须用清水处理，使外界溶液的浓度低于植物细胞液的浓度，才可发生植物细胞的质壁分离复原，这种复原称为诱发复原。（因蔗糖分子是不能通过选择透过性的膜的。）如果在植物细胞的质壁分离与复原实验中，选择的外界溶液是具一定浓度的硝酸钾溶液、尿素溶液（或甘油溶液、乙二醇溶液）等，当外界溶液的浓度大于植物细胞液的浓度时，植物细胞发生质壁分离后，可不再进行实验处理来降低外界溶液的浓度，随即也可观察到植物细胞出现分离复原的现象，这种复原称为自动复原。植物细胞质壁分离后自动复原的原因是：用硝酸钾溶液处理植物细胞发生质壁分离后，当水分子通过渗透作用自由进出细胞时，硝酸根离子和钾离子（植物细胞生活所必需的矿质离子）可经主动运输进入细胞液，细胞液的浓度不断增大，水分渗入的速率增大，由此出现自动复原。用尿素溶液等处理植物细胞，是因为这些物质分子也可自由进入细胞。但这些外界溶液的浓度如果过大，同样可导致植物细胞过度失水而死亡。例4将同一植物的细胞，依次在蒸馏水、质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液和0.5mol的甘油溶液中，测得细胞的体积随时间的变化曲线如图所示。请回答：（1）在A、B、C中，细胞在蒸馏水中的是，在蔗糖溶液中的是，在尿素溶液中的是。（A、C、B）（2）试简要分析出现B、C曲线差异的原因是：①。（参考答案：甘油分子可通过自由扩散的方式进入细胞液，细胞液的浓度不断增大，细胞由失水逐渐变为吸水，直至平衡。）②。（参考答案：因蔗糖分子不能进入通过具有选择透过性的膜进入细胞，处在较高浓度蔗糖溶液中的细胞不断失水，原生质层收缩，使细胞液浓度升高，失水减慢，直至平衡。）2.2.4植物细胞的质壁分离与复原实验的应用①可以判断植物细胞的生活状态；②可以推测植物细胞的细胞液浓度；③可以解释家庭中盐啧食品的防腐原理。例5某同学用普通光学显微镜观察植物叶肉细胞时，若要进一步确认这些细胞是否为活细胞，请你为该同学介绍一种判断方法。简述该方法的操作过程和出现的现象，并说明该方法能判断这些细胞是活细胞的理由。（参考答案：运用质壁分离的方法。先观察细胞的形态；然后使叶肉细胞处于较高浓度的蔗糖溶液中；观察植物细胞是否出现质壁分离现象。如果出现质壁分离现象，则可判断是活细胞。因为活细胞能发生渗透作用，死细胞不能，所以可以用质壁分离的方法进行判断。）高中生物学的实验教学中，使用光学显微镜除了前面简述的活细胞观察方法之外，最常见的是固定观察法。该实验研究方法它主要包括认识组成细胞的生物大分子、细胞的有丝分裂等。3固定观察法选用固定观察法进行的实验探究的有“观察DNA和RNA在细胞中的分布”（必修模块1：P.26-27）、“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”（必修模块1：P.115-116）、“观察蝗虫精母细胞减数分裂固定装片”（必修模块2：P.21）等。3.1观察DNA和RNA在细胞中的分布3.2观察根尖分生组织细胞的有丝分裂3.2.1实验操作的简要程序：3.2.2装片制作的注意事项3.2.2.1怎样选择根尖取材的时间？取材应一般以上午10:00到下午15:00为宜，因为此时是洋葱根尖细胞分裂最旺盛的时间。取材时，要剪取生长旺盛、带有分生区的根尖。3.2.2.2怎样解离根尖才有利于漂洗、染色和压片？解离根尖时一定要充分，至根尖酥软略带透明焦为合适。解离时间不宜过长，否则会使根尖过分酥软，无法漂洗和染色，且染色体成分被破坏。3.2.2.3怎样才能观察到处于细胞周期不同时期的图像？用显微镜观察已经制作好的植物细胞有丝分裂装片时，需要先用低倍物镜找到根尖分生区，再寻找处于分裂期的细胞相对较多的部位；然后转换成高倍物镜，缓缓调整细准焦螺旋，找到处于分裂期中期、后期的图像，再寻找其他各时期的图像。为了观察到处于不同分裂时期的细胞分裂，有时候需要慢慢移动装片，从周围寻找到符合要求的物像为止。例6取生长健壮的某植物的根尖，经过解离、漂洗、染色、制片过程，制成临时装片，放在光学显微镜下观察（如右图所示）。（1）从显微镜下的视野中可以看到，在一个细胞周期中，总是处于[]________的细胞数目最多，究其原因是。（参考答案：[1]分裂间期，在一个细胞周期中，分裂间期经历的时间最长。）（2）如果要看到细胞有丝分裂的前、中、后、末几个时期，正确的操作是（C）A．应该选一个处于间期的细胞，持续观察它从间期到末期的全过程B．如果在低倍镜下看不到细胞，可改用高倍物镜继续观察C．如果在一个视野中不能看全各个时期，可移动装片从周围细胞中寻找D．如果视野过暗，可以转动细准焦螺旋增加视野的亮度二、细胞组分的观察认识细胞的结构和功能除了使用显微镜作形态、结构的观察之外，还常常采用细胞组分的观察，以揭示生物大分子在细胞内构建的相互关系，探究细胞内各种细胞器的功能。细胞组分的观察方法主要有：分级离心法、纸层析法、同位素标记法、荧光抗体免疫标记法等。1分级离心法（见必修模块1：P.44）分级离心法又叫做超速离心技术。该项实验技术的操作包括：先用低渗匀浆、超声破碎或研磨等方法，使细胞膜破碎，形成细胞核、线粒体、叶绿体、核糖体、内质网、高尔基体等和细胞组分的混合匀浆；再通过差速离心结合密度梯度离心技术，将细胞各组分分离开来。运用超速离心技术，可研究细胞内各种细胞器的组成成分和生理功能。例7在低温条件下，将绿色植物的叶片置于研钵中，加入某种溶液研磨后，将细胞碎片和细胞器用超速离心技术进行分离。第一次分离成沉淀P1(含细胞核和细胞壁碎片)和上层液体S1；随后又将S1分离成沉淀P2(含叶绿体)和上层液体S2；第三次离心将S2分离成沉淀P3(含线粒体)和上层液体S3；最后一次将S3分离成沉淀P4(含核糖体)和上层液体S4。(如下图所示)。请根据下列问题填入相应的符号（S1-S4和P1-P4）。（1）含DNA最多的部分是（2）与光合作用有关的酶存在于部分。（3）与呼吸作用有关的酶存在于部分。（4）蛋白质含量最多的部分是（5）合成蛋白质的细胞器存在于部分。（参考答案：（1）P1（2）S1；P2（3）S1、S2；P3（4）S1（4）S1、S2、S3；P4）2纸层析法（见必修模块1：P.97-98）纸层析法是以定性滤纸作为惰性支持物，利用样品混合物中的各组分在流动相和固定相两种不同溶剂中分配系数的差异，将它们分离开来。实验：绿叶中色素的提取和分离叶绿体中的色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，溶解度低的随层析液在滤纸上扩散得慢，从而将叶绿体中的色素进行了分离。2.1实验操作的简要程序：2.2实验操作的注意事项：2.2.1提取叶绿体中色素要用到的药品及作用叶绿体中含有两类共4种光合色素（叶绿素a、叶绿素b、叶黄素、胡萝卜素），这些色素均能溶解无水乙醇等有机溶剂中。提取色素时,加入SiO2有助于研磨得充分；加入CaCO3是可防止研磨中色素遭到破坏。2.2.2研磨液制备和画滤液细划线采用研磨法制备的叶绿体色素粗提液必须先过滤，过滤时选用单层尼龙布。画滤液细线时，需要小心、均匀轻画、干燥后再重复划2~3次，要求所画滤液细线越细越齐越好，以避免滤纸条上的分离的色带发生重叠。2.2.3纸上层析时应该注意的问题不能让层析液没及滤液细线，否则，滤液细线中的色素会溶解到层析液中。由于层析液有毒，容易挥发，所以用小烧杯代替试管时，要用培养皿盖住小烧杯。例8分别在A、B、C三个研钵中加２g剪碎的新鲜菠菜绿叶，并按下表所示添加试剂，经研磨、过滤得到三种不同颜色的溶液：深绿色、黄绿色（或褐色）、几乎无色。试回答：处理ABCSiO2（少量）＋＋＋CaCO3（少量）－＋＋95%乙醇（10mL）＋－＋蒸馏水（10mL）－＋－（注：“＋”表示加；“－”表示不加。）（1）A处理得到的溶液颜色是，原因。（2）B处理得到的溶液颜色是，原因是。（3）C处理得到的溶液颜色是，原因是。（参考答案：（1）黄绿色部分叶绿素遭到破坏（2）几乎无色叶绿体不溶于水（3）深绿色大量叶绿素溶于乙醇中）3同位素标记法（见必修模块1：P.102））同位素标记法又叫同位素示踪法。放射性同位素用于追