滲透裝置實驗分析： 被忽視的“分子擴散”

何彬彬

(四川省成都市新津中學(xué) 成都 611430)

分子擴散是物理學(xué)中的一個概念，卻是理解很多生物學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)，如滲透作用、物質(zhì)跨膜運輸方式、酶促反應(yīng)、蒸騰作用、生物體內(nèi)的氣體交換等。“物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗笔侨私贪娓咧猩飳W(xué)教材《分子與細(xì)胞》中一節(jié)的內(nèi)容，教材在問題探討部分，引入了滲透裝置，讓學(xué)生通過分析漏斗內(nèi)液面上升的現(xiàn)象，并提出來3個討論題： ①漏斗內(nèi)液面為什么會升高？②如果用紗布代替玻璃紙，漏斗管內(nèi)的液面還會升高嗎？③如果燒杯中不是清水，而是同濃度蔗糖溶液結(jié)果會怎樣[1]。通過3個問題，總結(jié)出滲透作用發(fā)生的條件。但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)高中學(xué)生較難完整地解釋第一個問題。

實際上，布朗運動、分子擴散是理解滲透現(xiàn)象必不可少的知識基礎(chǔ)。然而在初中階段，分子熱運動理論學(xué)習(xí)不多，初中教師較少地提及布朗運動，而在高中階段熱學(xué)是選修內(nèi)容，以四川省為例，學(xué)生不會選修，故高中學(xué)生較難理解滲透作用原理。在美國高中生物學(xué)教材《生命的動力》中的布朗運動、擴散作用和滲透作用等都作為單獨的學(xué)習(xí)主題，有明確的定義，并配合圖文詳盡地闡述；英國高中生物學(xué)教材《AQA Biology》也是如此。因此，在針對本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)時，重新設(shè)計學(xué)習(xí)流程，通過遞進推演的學(xué)習(xí)進程，能幫助學(xué)生更深刻地理解滲透作用。

1 設(shè)計思路

1.1 以科學(xué)史的形式，引入布朗運動 1827年，蘇格蘭科學(xué)家羅伯特·布朗用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉顆粒。他發(fā)現(xiàn)這些顆粒一直在劇烈地運動。布朗還觀察不同組織的死細(xì)胞、碳粉等非生命的物質(zhì)，這些小顆粒同樣是在不停地、無秩序地運動。

但是，布朗沒能解釋這種無規(guī)則的運動機理。一個世紀(jì)以后，阿爾伯特·愛因斯坦終于在分子水平對該現(xiàn)象進行了解釋。他提出了一個模型： 小分子(如水分子)在沒有遇到其他分子(如水分子)或微粒(如花粉)前做直線運動；分子運動過程中會相互碰撞。這是一種彈性碰撞，像2個乒乓球相撞一樣，一旦被碰撞后會改變運動方向；而這個微粒運動的方向和速度，是所有小分子對其從不同方向撞擊的總和。這種無規(guī)則的隨機運動，在無生命的物質(zhì)會發(fā)生，在活細(xì)胞內(nèi)也會發(fā)生，如在顯微鏡下可觀察到細(xì)胞質(zhì)的流動。這是物質(zhì)分子所固有的屬性,這種屬性也是分子擴散的基礎(chǔ)[2]。

1.2 觀察實驗，分析影響分子擴散因素 實驗操作過程： ①準(zhǔn)備3只燒杯，分別編成1號、2號、3號；②向3只燒杯中加入等量的清水，1號、2號燒杯水溫為常溫，3號燒杯為90℃水；③向3只燒杯中均加入兩滴墨水，1號墨水濃度較低，2號、3號墨水濃度相同；④觀察墨水分子在清水中的擴散速度(以墨水和水混合均勻所需時間長來短判斷)。這個實驗操作簡單，但是可非常明顯地觀察到，墨水分子在水中緩慢移動,這種移動依賴于水分子對墨水分子的撞擊。這種微粒(如墨水)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的凈位移，即為擴散[3]。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，溶液混合均勻所需時間由短到長依次為3號、2號和1號，可引導(dǎo)學(xué)生思考影響擴散速度的因素。物質(zhì)的濃度： 對比實驗中1號、2號燒杯，2號燒杯墨水濃度更大，擴散速度更快；溫度： 3號燒杯擴散速度最快。分析： 物質(zhì)濃度高分子間的碰撞越多，物質(zhì)擴散速度越快；溫度升高會增加分子動能，從而加快擴散。此外，擴散速度還與壓力等因素有關(guān)。

以必修1第6章的“細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系”模擬實驗為例，該實驗可通過瓊脂塊變色深度(mm)，除以瓊脂塊在酚酞中浸沒的時間(min)計算出擴散的速度。同樣，這個實驗有助于學(xué)生理解影響擴散的因素，也能從直觀上體會到擴散是個緩慢的過程。

1.3 解釋滲透作用 滲透作用是水分子通過半透膜，從低滲溶液向高滲溶液的擴散。擴散可用來描述任一分子的運動，而滲透僅只水分子的運動。如何應(yīng)用布朗運動，以及分子擴散來解釋滲透作用呢？可通過圖1作為模型解釋，左側(cè)溶液中溶質(zhì)分子較少，稱為低滲溶液；而右側(cè)溶質(zhì)分子較多，稱為高滲溶液。

模型解釋： 可把半透膜作為一種有小孔的膜，孔徑大小允許水分子通過，卻不允許溶質(zhì)分子通過。但是，溶質(zhì)分子仍然向任一方向做隨機運動，卻會被阻擋在膜的兩側(cè)，右側(cè)的溶質(zhì)分子更多，被膜阻擋在右側(cè)的水分子也更多，有的甚至阻擋在小孔附近，所以右側(cè)的水分子被溶質(zhì)分子碰撞彈回的概率更大；而左側(cè)的溶質(zhì)分子少，水分子被阻擋在左側(cè)的機會也少，更容易隨機運動到右側(cè)，水分子的運動趨勢是從低滲溶液到高滲溶液，但是最終分子運動將達(dá)到平衡。但需要注意的是在這種平衡下，分子仍在做無規(guī)則地運動。水分子仍然可自由地通過半透膜。

圖1 滲透作用模型[3]

在此基礎(chǔ)上可將半透膜做一個立體的延伸，組成一個球形，類比細(xì)胞膜。讓學(xué)生推測細(xì)胞處于等滲溶液、低滲溶液和高滲溶液下水分子進出細(xì)胞趨勢。在此基礎(chǔ)上，再展開教材中的內(nèi)容學(xué)習(xí)。

2 討論

教師在教學(xué)過程中，會直接給出滲透作用發(fā)生的條件，學(xué)生也不會心存疑慮。但是，當(dāng)問題更加接近滲透作用的實質(zhì)時，學(xué)生就較難回答： 當(dāng)漏斗的液面停止上升時，水分子還在擴散嗎？漏斗內(nèi)的溶液與燒杯的溶液相同嗎？但是當(dāng)采用層層邏輯推進的教學(xué)流程時，學(xué)生能更深刻地理解滲透裝置，能清晰地給出解釋： 漏斗的液面上升，會受壓力的影響，使漏斗中的水分子向燒杯中擴散速度加快；但漏斗中的蔗糖分子，將水分子反彈回漏斗，阻止水分子進入燒杯，最終達(dá)到平衡。

分子擴散不僅是物質(zhì)跨膜運輸方式的理論基礎(chǔ)，還可解釋較多的生物學(xué)現(xiàn)象。例如，人體如何進行氣體交換，氧氣分子如何到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部；酶促反應(yīng)條件是酶與底物分子的相互碰撞，而影響分子擴散的因素(如溫度、酶數(shù)量和底物濃度等)，會引起酶促反應(yīng)速率的變化。