實(shí)驗(yàn)探究

俞天澤 盧君輝

1問(wèn)題和困惑

幾年前，我曾經(jīng)制作了一個(gè)生態(tài)瓶，瓶中放了水生植物和小金魚(yú)，每天觀察瓶中生物的變化?？墒?，令我迷惑不解的事發(fā)生了——瓶中的金魚(yú)總是喜歡趁我不注意往外跳。放學(xué)回到家，我經(jīng)常發(fā)現(xiàn)金魚(yú)已經(jīng)躺在桌子上死掉了，這到底是為什么呢？在水里待得好好的，為什么非要自尋死路往外跳呢？究竟是什么刺激了金魚(yú)往外跳呢？

我被這個(gè)問(wèn)題困擾了很久，其間也查閱了一些文獻(xiàn)資料。金魚(yú)是由鯽魚(yú)經(jīng)過(guò)人工馴化選育形成的品種，遠(yuǎn)在晉朝就有金魚(yú)祖先——“赤鱗魚(yú)”的文字記載。金魚(yú)是我們中國(guó)人特別喜愛(ài)的觀賞魚(yú)種，民間飼養(yǎng)金魚(yú)非常普遍，飼養(yǎng)過(guò)程中發(fā)生跳缸的現(xiàn)象也困擾著很多養(yǎng)魚(yú)愛(ài)好者。網(wǎng)上對(duì)金魚(yú)跳缸的原因眾說(shuō)紛紜：有的說(shuō)是因?yàn)槿毖?，有的說(shuō)是水質(zhì)太差，還有的說(shuō)是金魚(yú)受到了驚嚇。那么，到底是什么原因?qū)е陆痿~(yú)跳缸呢？

2實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)

2023年暑假，我參加了國(guó)家自然博物館“小小研究生”暑期科學(xué)探究班。成為正式學(xué)員后，我與老師進(jìn)行了詳細(xì)討論，羅列了幾個(gè)最有可能導(dǎo)致金魚(yú)跳缸的原因：

★水中溶解氧降低；

★有毒代謝廢物（氨氮或亞硝酸鹽）的累積；

★突然的強(qiáng)光刺激；

★突然的聲音振動(dòng)驚嚇。

我們打算用實(shí)驗(yàn)一個(gè)個(gè)來(lái)驗(yàn)證、排查。隨后，我們討論了后續(xù)實(shí)驗(yàn)的具體步驟，確定了都需要用到哪些實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料，形成了一套大致的研究方案。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

養(yǎng)魚(yú)用的大塑料整理箱、壁掛過(guò)濾器、增氧泵、40條金魚(yú)、檢測(cè)水中氨氮和亞硝酸鹽的試劑盒、晾曬過(guò)后的清水、燒開(kāi)后密封冷卻去除溶解氧的清水、氯化銨、亞硝酸鈉和手電筒。

4實(shí)驗(yàn)過(guò)程

● 缺氧和驚嚇惹的禍？ ●

首先，我要驗(yàn)證的一個(gè)原因——因缺氧導(dǎo)致金魚(yú)急于逃離惡劣環(huán)境而跳缸。我把金魚(yú)隨機(jī)平均分成了實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。

對(duì)照組用增氧泵鼓氣，保證溶解氧充足而穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)組通過(guò)換入燒開(kāi)后密封冷卻的清水（這樣可以去除水中溶解氧）來(lái)快速降低水體中的溶解氧濃度，對(duì)比觀察這兩組金魚(yú)的表現(xiàn)。

從圖1可以看到，實(shí)驗(yàn)組的溶解氧濃度迅速下降，當(dāng)出現(xiàn)第一條死亡的金魚(yú)時(shí)，水中溶解氧濃度已經(jīng)非常低了，其他金魚(yú)也都無(wú)精打采地趴在魚(yú)缸底部。而對(duì)照組的溶解氧濃度一直維持在穩(wěn)定的水平，金魚(yú)全都活蹦亂跳，活得好好的。然而隨著實(shí)驗(yàn)組因缺氧導(dǎo)致金魚(yú)一條條死亡，卻沒(méi)有任何一條金魚(yú)從缸中跳出來(lái)！

看來(lái)溶解氧濃度驟降并不會(huì)導(dǎo)致金魚(yú)跳缸，我懷疑是因?yàn)槿芙庋鯘舛冉档锰欤瑢?dǎo)致金魚(yú)沒(méi)有足夠的反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生跳缸行為，就已經(jīng)沒(méi)有體力了。

于是我開(kāi)始了第二階段的實(shí)驗(yàn)：通過(guò)調(diào)節(jié)增氧泵讓水中溶解氧濃度緩慢下降，給金魚(yú)充足的反應(yīng)時(shí)間，看看這次它們會(huì)不會(huì)跳缸。

通過(guò)圖2可以看到，在長(zhǎng)達(dá)14天的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著溶解氧濃度緩慢降低，金魚(yú)依舊沒(méi)有任何跳缸行為出現(xiàn)！看來(lái)缺氧并不是導(dǎo)致金魚(yú)跳缸的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

隨后我又嘗試在白天、黑夜等不同的時(shí)間點(diǎn)用手電筒的強(qiáng)光去突然刺激金魚(yú)，也嘗試了用手拍打缸壁來(lái)驚嚇金魚(yú)，但是無(wú)論怎么嘗試，金魚(yú)依舊沒(méi)有任何跳缸的跡象。看來(lái)缺氧、光照刺激、拍打振動(dòng)都不是導(dǎo)致金魚(yú)跳缸的主要因素，那么元兇究竟是什么呢？

● 鎖定兇手●

排除了缺氧、光照刺激、拍打振動(dòng)三個(gè)因素，那么只剩下唯一一個(gè)因素——有毒代謝廢物的累積。如果這個(gè)因素也被排除，那金魚(yú)跳缸之謎就很難解開(kāi)了。

在與老師的交流中我得知，金魚(yú)從進(jìn)入水中的那一刻開(kāi)始，水中就不斷發(fā)生著肉眼看不見(jiàn)的神奇化學(xué)變化。

金魚(yú)吃的食物會(huì)形成糞便和尿液排到水中，代謝廢物中含有的蛋白質(zhì)，在水中微生物的作用下，會(huì)被分解成小分子的氨氮，這種東西對(duì)魚(yú)類是有毒的！然后，氨氮會(huì)在硝化細(xì)菌的作用下，以極緩慢的速度轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，這同樣是一種有毒的物質(zhì)！隨著金魚(yú)越吃越多、越排越多，這兩種有毒物質(zhì)在水中不斷積累，最終導(dǎo)致魚(yú)類死亡。

那么氨氮和亞硝酸鹽這兩種物質(zhì)是導(dǎo)致金魚(yú)跳缸的因素嗎？ 我馬上開(kāi)始實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

我將金魚(yú)隨機(jī)平均分成實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。

※對(duì)照組通過(guò)開(kāi)啟過(guò)濾器、換水等方式維持水質(zhì)清潔干凈；

※實(shí)驗(yàn)組不換水，任由代謝廢物緩慢積累。

這期間我用水質(zhì)檢測(cè)試劑定時(shí)測(cè)量記錄兩組的氨氮和亞硝酸鹽濃度，進(jìn)行對(duì)比觀察。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第五天時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的氨氮濃度逐漸升到1.5mg/L，實(shí)驗(yàn)組有4條金魚(yú)出現(xiàn)了跳缸現(xiàn)象。而對(duì)照組氨氮濃度僅僅升高到1.2 mg/L就不再升高，沒(méi)有任何一條金魚(yú)跳缸，看來(lái)我們離真相越來(lái)越近了。實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)組氨氮濃度一直維持在1.5mg/L的高位，跳缸現(xiàn)象也天天發(fā)生，與之形成鮮明對(duì)比的是對(duì)照組一直非常平靜，金魚(yú)從未發(fā)生跳缸。這整個(gè)過(guò)程中，兩組亞硝酸鹽的濃度一直處于很低的水平，那么能夠影響金魚(yú)的只有一個(gè)因素——氨氮濃度！

為了驗(yàn)證這一結(jié)論，也為了防止水中可能有其他不為人知的物質(zhì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我又進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)。這次我在實(shí)驗(yàn)組中人工加入了氯化銨（氨氮的一種形式），使實(shí)驗(yàn)組水中的氨氮濃度瞬間達(dá)到1.5mg/L，而對(duì)照組的氨氮濃度一直控制在1.0 mg/L以下。神奇的現(xiàn)象再次出現(xiàn)了，此后的四天里，實(shí)驗(yàn)組每天都有4～6條金魚(yú)跳缸，而對(duì)照組依然風(fēng)平浪靜。

跳缸謎案終于真相大白：水中的代謝廢物——氨氮積累到約1.5mg/L的濃度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致金魚(yú)跳缸。

5答辯和思考

我的研究圓滿成功，我把我的研究成果撰寫成論文，通過(guò)論文答辯，才算正式“畢業(yè)”。答辯會(huì)上，有幾位水生生物領(lǐng)域的專家對(duì)我的研究進(jìn)行提問(wèn)、點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)，指出了我實(shí)驗(yàn)中考慮不周的地方，讓我獲益良多。最后，我用我這次的研究成果給所有喜愛(ài)飼養(yǎng)金魚(yú)或其他觀賞魚(yú)的小伙伴們提個(gè)醒：為了觀賞魚(yú)的健康和生命安全，一定要關(guān)注水質(zhì)情況，用過(guò)濾器或者勤換水的方法降低氨氮的濃度，給魚(yú)兒營(yíng)造一個(gè)舒適的生活環(huán)境，這樣它們就不會(huì)用“跳缸”這種極端方式來(lái)回應(yīng)你啦！

指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)

科學(xué)探究有時(shí)像極了偵探破案，俞天澤同學(xué)的研究過(guò)程很好地演繹了這一點(diǎn)：從“金魚(yú)總是跳缸”的謎案著手，基于經(jīng)驗(yàn)、咨詢、查閱資料等“尋找線索”的方法，提煉出幾種最有可能的影響因素作為“嫌疑人”，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)一一篩查排除，原來(lái)罪魁禍?zhǔn)资墙痿~(yú)的代謝廢物產(chǎn)生的“氨氮”，幕后黑手被揪出，最終真相大白。

這項(xiàng)研究十分難得之處在于，選題來(lái)自俞同學(xué)飼養(yǎng)金魚(yú)時(shí)遇到的疑問(wèn)，可網(wǎng)上五花八門的解答并不能令人信服，他通過(guò)親手實(shí)驗(yàn)獲得科學(xué)合理的解釋，最終的結(jié)果又很好地指導(dǎo)了他的飼養(yǎng)實(shí)踐，提高了他的飼養(yǎng)水平。這難道不像人類科學(xué)發(fā)展史的一個(gè)小小的縮影嗎？