“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”實驗改進(jìn)與探索*

趙沛榮 張志祥

（1 寧波市鄞州中學(xué) 浙江寧波 315105 2 寧波市惠貞書院 浙江寧波 315016）

實驗教學(xué)是生物學(xué)課程的特點，也是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一，是促進(jìn)學(xué)生達(dá)成生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要支撐［1］。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 版）》提出：學(xué)校要加強(qiáng)和完善生物學(xué)實驗教學(xué)，盡可能創(chuàng)造條件，提高實驗的開出率；教師要盡可能多組織以探究為特點的主動學(xué)習(xí)，提供更多的機(jī)會讓學(xué)生親自參與和實踐［2］。現(xiàn)行浙科版教材必修3 第4 章中設(shè)置了“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”實驗，旨在讓學(xué)生通過對酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化觀察與統(tǒng)計，依據(jù)測量數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，從而探究種群的增長方式。然而由于存在實驗過程復(fù)雜、計數(shù)操作難度大、硬件設(shè)施要求高等問題，導(dǎo)致該實驗在高中各校開出率很不理想［3-4］。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些學(xué)校甚至沒有開設(shè)該實驗，僅靠教師紙上談兵式的講解。基于此，筆者在參與新教材這一實驗的編寫過程中，更換了實驗材料和用具，改進(jìn)了實驗方法，對“探究種群的增長方式”實驗的可行性和實效性進(jìn)行了探索。

1 實驗的可行性和實效性分析

1.1 實驗材料的有效替代 酵母菌繁殖速度較快，是研究種群增長的良好材料，但因其體積微小，肉眼無法識別，導(dǎo)致統(tǒng)計酵母菌數(shù)量時必須借助顯微鏡和血細(xì)胞計數(shù)板進(jìn)行微觀計數(shù)。而且，在顯微計數(shù)時，酵母菌的死體和活體難以區(qū)分，雖通過染色可解決此問題，但是染色更會帶來模糊不清、計數(shù)困難的新問題。

果蠅，雙翅目昆蟲，體形小、繁殖快，是日常生活中較為常見的一種動物。在成熟發(fā)酵的水果，例如葡萄、香蕉、楊梅上均可發(fā)現(xiàn)果蠅，故其采集較為方便，培養(yǎng)條件簡單，且可直接肉眼宏觀計數(shù)，死體和活體區(qū)分明顯［5］。

1.2 實驗用具的有效更換 酵母菌計數(shù)最大難度在于正確使用血細(xì)胞計數(shù)板。學(xué)生對樣品稀釋程度不準(zhǔn)確、加樣不合理、計數(shù)不科學(xué)等均會對實驗結(jié)果產(chǎn)生很大影響，這也是該實驗開展率不高的重要原因之一。酵母菌體積微小，用血細(xì)胞計數(shù)板進(jìn)行顯微計數(shù)也常計數(shù)不清，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差。用比濁計測定雖簡便快捷，但需要設(shè)置實驗對照組進(jìn)行測量數(shù)值的校正，且容易受到細(xì)胞大小、形態(tài)、培養(yǎng)液成分等因素的影響。而采用果蠅為實驗材料時則用具較為簡單，僅需用麻醉瓶將果蠅麻醉后倒在白紙上，用毛筆進(jìn)行計數(shù)即可。酵母菌實驗涉及微生物的培養(yǎng)相關(guān)內(nèi)容，接種、取樣在超凈工作臺上進(jìn)行，且需無菌培養(yǎng)。果蠅可在普通實驗室或教室環(huán)境下飼養(yǎng)，對實驗用具、培養(yǎng)環(huán)境等無菌條件的要求相對較低。

1.3 實驗方法的有效改進(jìn) 用血細(xì)胞計數(shù)板計數(shù)和用比濁計測定渾濁度是現(xiàn)行浙科版教材中該實驗重要的方法步驟，學(xué)生需在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)如何操作。因?qū)嶒灢僮麟y度較大，學(xué)生掌握這2項技術(shù)需要較長時間。計數(shù)測定為0 d、1 d、4 d、7 d 取樣，共測4 次，渾濁度測定在2 周內(nèi)每天進(jìn)行。酵母菌增殖速度較快，在培養(yǎng)后期進(jìn)行計數(shù)時需要適度稀釋；為區(qū)分酵母菌是否死亡，也需要對酵母菌進(jìn)行染色觀察等，均要花費更多時間。據(jù)調(diào)查，該實驗中本校學(xué)生每次計數(shù)和測定渾濁度需要花費1 節(jié)課時間（測定小組以2 人為單位）。改用果蠅作為實驗材料，可直接進(jìn)行活體統(tǒng)計，方便快捷，單人即可完成。雖計數(shù)次數(shù)增加至21 次，但實驗難度和總用時在原有實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。計數(shù)結(jié)束后將麻醉的果蠅全部放回培養(yǎng)瓶中，還可避免抽樣的部分個體不能放回原培養(yǎng)瓶造成的誤差。

2 實驗材料與用具

果蠅、香蕉、500 mL 廣口瓶、紗布、橡皮筋、毛筆、乙醚、棉花團(tuán)、放大鏡、白紙、恒溫培養(yǎng)箱、培養(yǎng)皿等。

3 實驗過程

3.1 果蠅培養(yǎng)瓶的制備 取500 mL 廣口瓶3個，在瓶底部鋪一層厚約2 cm 的棉花。在每個廣口瓶中分別放入大小相等且熟透的半根香蕉。棉花既可吸收香蕉腐爛的汁液，又為果蠅結(jié)蛹提供場所，故棉花不宜過薄，以免香蕉汁液沒過棉花，影響蛹后果蠅的羽化。

3.2 果蠅采集與鑒別 從學(xué)校附近水果店誘捕多只果蠅，放置于溫度適宜的環(huán)境中飼養(yǎng)。培養(yǎng)一段時間后，可見瓶內(nèi)有果蠅蟲繭存在，移除親本成蟲果蠅。待果蠅蟲繭羽化后及時移出未交尾成蟲。用乙醚麻醉［6］，依據(jù)雌、雄果蠅個體特征差異（腹部、背部和生殖器區(qū)別），用放大鏡鑒別選擇6 只雌蠅和6 只雄蠅。

3.3 分組編號與接種 將制備好的500 mL 廣口瓶編號1、2 和3，貼上標(biāo)簽。乙醚麻醉果蠅后，放大鏡選擇雌、雄果蠅放入3 個培養(yǎng)瓶（每瓶2 只雌蠅和2 只雄蠅），用2 層紗布蓋好，皮筋扎緊。

3.4 果蠅培養(yǎng)與計數(shù) 將3 個培養(yǎng)瓶置于溫度適宜的環(huán)境中。每天觀察、記錄培養(yǎng)瓶中果蠅個體數(shù)，持續(xù)21 d（圖1），設(shè)計實驗數(shù)據(jù)的記錄表格（表1），并將每天測量數(shù)據(jù)填入。當(dāng)培養(yǎng)瓶內(nèi)的果蠅數(shù)量不易直接觀察計數(shù)時，另取一潔凈廣口瓶作為果蠅的麻醉瓶，放入滴有1～2 滴乙醚的棉花團(tuán)，并將其與培養(yǎng)瓶的瓶口對接，輕拍培養(yǎng)瓶把果蠅趕入麻醉瓶（圖2）。待果蠅麻醉后，倒在白紙上用毛筆進(jìn)行計數(shù)（圖3），計數(shù)結(jié)束再將昏迷果蠅放回原培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)。

圖1 培養(yǎng)瓶中的果蠅

表1 探究果蠅種群的增長實驗結(jié)果記錄表

圖2 將果蠅趕入麻醉瓶

圖3 用毛筆進(jìn)行果蠅計數(shù)

3.5 種群增長曲線的繪制 處理果蠅種群的增長實驗結(jié)果記錄表1的實驗數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析和科學(xué)繪圖相關(guān)知識［7］。采用original 軟件繪制曲線圖，具體操作流程包括：輸入種群基本數(shù)據(jù)、設(shè)置坐標(biāo)標(biāo)題和單位、選擇繪圖變量、設(shè)置坐標(biāo)分度、設(shè)置輸出參數(shù)和導(dǎo)出圖像。

以時間為橫坐標(biāo)，種群個體數(shù)為縱坐標(biāo)的曲線圖（圖4）顯示一定培養(yǎng)條件下果蠅種群數(shù)量動態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型。將3 個培養(yǎng)瓶達(dá)到最大值之前的果蠅種群數(shù)量取平均值后進(jìn)行統(tǒng)計，選擇適當(dāng)?shù)那€類型擬合觀測數(shù)據(jù)，并用擬合的曲線方程分析培養(yǎng)天數(shù)和種群數(shù)量間的關(guān)系，得到以下函數(shù)解析式：g（x）=540／（1+e13-x）。其中，x代表果蠅培養(yǎng)天數(shù)；e 為自然常數(shù)，其值約為2.71828。結(jié)果顯示此增長函數(shù)滿足邏輯斯諦方程，圖像呈“S”形，說明本實驗中果蠅種群的增長符合邏輯斯諦增長方式。

圖4 果蠅種群數(shù)量變化曲線圖

為了解果蠅種群增長特點，教師引導(dǎo)學(xué)生繪制種群增長速率和增長率的曲線圖（圖5、圖6），利用模型幫助學(xué)生進(jìn)一步理解種群數(shù)量增長的 “S”形曲線，環(huán)境容納量K值、出生率和死亡率等生物學(xué)概念。

圖5 果蠅種群增長速率曲線圖

圖6 果蠅種群增長率曲線圖

3.6 實驗結(jié)果的分析 學(xué)生依據(jù)實驗結(jié)果，并查閱資料后討論得出：1）實驗初期條件適宜，食物充足，但果蠅親本從交配、產(chǎn)卵到幼蟲孵化、發(fā)育和結(jié)蛹，再羽化為子代成蟲，需要10～12 d，所以前9 d 培養(yǎng)瓶中的果蠅數(shù)量一直為4 只。2）果蠅交配后約4～5 d，成蟲產(chǎn)卵量達(dá)到最大，即在約13 d 會出現(xiàn)子代果蠅種群的最大增長量。3）隨后，果蠅個體在有限的空間、食物和其他生活條件下種內(nèi)競爭加劇，使種群的死亡率增大，但種群數(shù)量依然上升，第17 天時種群數(shù)量達(dá)到K值。4）第17 天后環(huán)境惡化（主要有空間有限、食物消耗和霉菌感染等），果蠅種群死亡率不斷增大，種群數(shù)量開始下降。

4 結(jié)語

本實驗以果蠅為實驗材料，采用宏觀計數(shù)方法，讓學(xué)生對“種群數(shù)量動態(tài)變化”有了更為直觀的認(rèn)識和理解。利用實驗課得到的數(shù)學(xué)模型，在接下來學(xué)習(xí)“不同條件下種群的增長方式不同”新課內(nèi)容時，引導(dǎo)學(xué)生分析果蠅種群數(shù)量增長曲線的特點及其形成的原因，能順利達(dá)成重要概念構(gòu)建和素養(yǎng)提升。實驗經(jīng)過改進(jìn)后，極大降低了種群計數(shù)的難度，提高了實驗的開出率和效果。更換實驗材料和實驗用具、改進(jìn)實驗方法，也能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。