走進大豆的微小世界

研究背景與目的

我們家經(jīng)常喝豆?jié){，打豆?jié){的次數(shù)多了，我們注意到大豆的一種奇特現(xiàn)象：它干的時候是圓溜溜的，吸水膨脹之后卻變成橢圓形的了，這里面有什么秘密呢？查找了一些書籍也在網(wǎng)上搜索了一下，也沒有找到原因。只是知道了大豆吸水是因為大豆含蛋白質(zhì)多，而蛋白質(zhì)親水性強，所以會吸水膨脹。為什么圓形的干大豆吸脹后會變成橢圓形，沒有查到相關(guān)文獻作出解釋。所以，我們想通過觀察探究，揭開大豆干圓濕橢的變化秘密。

實驗前，我們假設(shè)大豆在由干變濕的過程中各部分細胞膨脹不一：大豆中間部分在變濕過程中細胞膨脹較小，兩端部分在變濕過程中細胞膨脹較大。

實驗條件及材料

市場買來的普通大豆，楓林FL305光學生物顯微鏡（帶300萬像素電子目鏡），50mL小燒杯，1/50精度游標卡尺，索尼T200相機，雙杰T500/d=0.1g電子天平。

方法與過程

測量記錄干大豆浸泡過程中的長、寬、厚徑的變化情況

從市場買來一袋干大豆，隨機數(shù)出90顆分為3組，每組30顆。以大豆的“肚臍”作為參照物，分別測出它們的長徑、寬徑、厚徑，放在標好序號的量杯中浸泡（圖1），每隔l小時用卡尺測1次它們的長、寬、厚徑的變化，并記錄。由記錄的數(shù)據(jù)可以明顯看出：干大豆在由干變濕的過程中，長度增加幅度非常大，寬度和厚度增加幅度都比較小。這些樣本中，最大1粒黃豆長、寬、厚徑分別是：8.04mm、7.06mm和7.26mm。最小的黃豆有2粒，長、寬、厚徑分別是：5.88mm、4.80mm和5.92mm。其余都在6～7mm之間。長徑7mm的最多，占總數(shù)的71%。

測量記錄新鮮大豆由濕變干過程中長、寬、厚徑的變化情況

從菜市場買回新鮮的豆莢，隨機數(shù)出30個豆莢（每個豆莢最少3顆大豆）分成3組，每組10個。剝開豆莢，測量其長、寬、厚徑，然后放回豆莢里，放在陽光下曬干，觀察大豆由濕變干過程的長、寬、厚度的變化情況（圖2）。

由測量結(jié)果統(tǒng)計看出：濕大豆被曬干后，長徑減少得最多，寬徑和厚徑減少的幅度都比較小。

這些樣本中，最大的鮮黃豆有2粒，長、寬、厚徑分別是l4.08mm、10.50mm和11.28mm。最小的黃豆也有2粒，長、寬、厚徑分別是：7.4mm、6.26mm和6.58mm。其余的大豆長徑11～12mm的最多，占總數(shù)的92%。

觀察比較干、濕大豆的三維切片顯微結(jié)構(gòu)

制作干大豆切片置于生物顯微鏡物鏡下，通過通過電子目鏡觀察。觀察結(jié)果表明，干大豆各個部分各個方向的切片顯微組織均看不出明顯差別。

做好干大豆切片，放在顯微鏡下，再用滴管滴一小滴水到蓋玻片邊緣，利用毛細現(xiàn)象使水滲入大豆切片，觀察吸脹過程（圖3）。

根據(jù)觀察結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，大豆的細胞排列特點是：橫切方向外側(cè)是圓形向內(nèi)逐漸過渡為橢圓形；縱切方向的細胞則全部為圓形；平切方向的細胞同橫切方向相似。那么，每一個細胞在吸脹過程中究竟長大了多少呢？我們在100倍放大倍數(shù)下，在目鏡的同一視野內(nèi)測量了大豆細胞吸脹前后的尺寸（測量軟件為鳳凰顯微圖像處理軟件）。

大豆測量結(jié)果分析

我們分別測量了3組（每組30個）長、圓大豆細胞，測量了干大豆細胞的長、寬值，吸脹后的長、寬值。并分別計算其平均值后，發(fā)現(xiàn)圓形大豆細胞在由干變濕后，長、寬分別增加為原尺寸的1.94和1.91倍；長條形細胞的長、寬分別增加為原尺寸的l.l5倍和l.47倍，見圖4。

由此可以得出結(jié)論：長條形細胞向?qū)挿较虻奈浄缺认蜷L方向的吸脹幅度多出32%，而圓形細胞是向四周均勻膨脹。

在數(shù)量眾多的長條形細胞寬方向吸脹幅度大于長方向吸脹幅度的作用下，整顆大豆吸脹后自然就變成了橢圓形。

觀察測量另外3種雙子葉豆類的由干到濕變化過程中長、寬、厚徑的變化情況

綠豆、赤豆、眉豆各隨機選30顆，分別測量其干的情況下長、寬、厚徑的數(shù)值，浸泡24小時后再測量其長、寬、厚徑的數(shù)值，進行比較。測量結(jié)果表明，綠豆、赤豆、眉豆在浸泡5個小時后，它們的長徑、寬徑和厚徑都有較均勻的增加，且增加幅度基本一致，沒有大豆的長徑增加的幅度那么顯著。

比較這3種雙子葉植物種子的縱、橫切片顯微圖，我們很容易發(fā)現(xiàn)，它們的細胞無論縱橫都是一樣的形狀，吸水膨脹的方向在顯微鏡下看到是向四面八方的。所以它的膨脹其實是各個細胞按相同比例放大的過程。因而它們吸脹后形狀還是保持干豆時的形狀，不會發(fā)生像大豆那樣的變化。這也從另一個角度證明：大豆的“干圓濕橢”形狀變化確實和其內(nèi)部的細胞結(jié)構(gòu)、排列有關(guān)。

研究結(jié)論和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)

看來我們最初的假設(shè)只是一個粗淺的外觀認識，并不科學。觀察后得到的結(jié)論是：

我們發(fā)現(xiàn)，大豆細胞有長形和圓形2種形狀；橫向看細胞是外圓內(nèi)長，縱向看細胞全是圓形。

通過測量大豆圓、長2種細胞吸脹前后的精確數(shù)量變化，得出“長條形細胞橫向水膨脹，圓形細胞吸水后向四周膨脹”的結(jié)論。

“干圓濕橢”這一現(xiàn)象為大豆所特有，而其他雙子葉豆類沒有發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。

我們的創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)是：大豆的細胞排列特點和不同吸脹方向是導致大豆干圓濕橢現(xiàn)象的內(nèi)在原因。

專家評語

小作者從生活中的事件——大豆吸水后從圓形變成橢圓形這個有趣的現(xiàn)象入手，探索其后面隱含的生物物質(zhì)世界的秘密，顯示出研究者敏感的科學好奇心，實驗設(shè)計合理，并設(shè)置了其他3類豆類的對比研究，在符合年齡發(fā)展水平的基礎(chǔ)上顯示出了科學素養(yǎng)。不足之處，對于2類細胞形狀大豆的分布沒有作出定位，建議其向相關(guān)實驗室請教、學習。