孙 娟 赵星杰

（北京市首都师范大学附属回龙观育新学校 北京 102208）

种子萌发是生活中常见的生命现象，7年级生物学教材（上册）的“种子萌发条件的探究”实验提出种子萌发既受到内部条件限制，也受到外部环境影响的观点。而且，通过实验证实种子萌发需要适宜的温度、一定的水分和充足的空气［1］。其中，种子在缺乏空气或氧气条件下的萌发实验，实验条件较难控制。开展此项实验的学校，一般是按照教材设计，直接采用密封瓶完成。然而，瓶内残留的氧气也可以被细胞利用，这将造成一定偏差；若将种子用水淹没后进行无氧萌发实验，水本身也会造成一定干扰；若使用氮气排除氧气，则存在价格昂贵、操作复杂等问题。

由此可见，无氧瓶的制作不是过于复杂就是未能排尽瓶内残余氧气。若仅仅制作一个密闭空间进行萌发实验，则说服力不强。除此之外，萌发实验结束后，很少有人再去探究种子在此过程产生的代谢产物。

高中生物学必修1《分子与细胞》模块中，通过细胞呼吸的探究实验，介绍酵母菌细胞呼吸的方式，并验证其有氧呼吸和无氧呼吸的终产物。此外，教材还指出多数植物细胞无氧呼吸的终产物都是酒精和二氧化碳，少数是乳酸［2］，但并没有通过实验进行验证。

以上2部分都是中学生物学的重要内容，且关系密切。因此，笔者将初中阶段“种子在无氧条件下的萌发”实验和高中阶段“细胞无氧呼吸”实验有机结合，通过物理学、化学、生物学知识的综合应用，设计了一种新式无氧瓶，探究种子在无氧条件下萌发的过程以及无氧条件萌发的代谢产物。

学生通过文献检索、方案设计和误差分析等步骤，完成了这项综合实验。在探究过程中，学生将初、高中知识和各学科知识有机结合，同时，学生的质疑精神和探索的勇气也得以充分展现，学科素养和综合能力都有所提升。

1 实验原理

为了制造完全无氧的环境，选择密闭性良好的广口瓶和橡胶塞作为基础装置，并加以改造（图1），其核心是通过火柴燃烧耗尽瓶内氧气，并通过新鲜苹果片被氧化后的颜色变化监测瓶内的氧气残留情况，具体操作如下：1）瓶底铺适量脱脂棉，滴入适量水分，将种子均匀地放置在脱脂棉上；2）为了收集种子萌发过程中的气体代谢产物，将瓶塞打孔后接入2个玻璃管，玻璃管末端接橡胶管并用夹子夹住；3）利用热熔胶在瓶塞上固定3~5枚火柴棒，并在瓶内放置1个新鲜苹果片；4）点燃火柴后，迅速将瓶塞塞入瓶口，火柴燃烧消耗瓶内氧气，氧气耗尽后，火柴自动熄灭，瓶内残余的微量氧气会使苹果片从白色变为浅黄色，之后颜色不再变化；5）将所有缝隙用凡士林涂抹，以保证瓶内外不发生气体交换。

图1 无氧瓶设计原理图

为了检测种子萌发后的代谢产物，利用排水集气法收集瓶内气体，并使用澄清石灰水检测二氧化碳。同时，按照高中生物学《分子与细胞》中介绍的步骤操作，使用重铬酸钾和浓硫酸检测种子无氧萌发过程中有无酒精生成［2］。若有二氧化碳生成，则澄清石灰水变浑浊；若有酒精生成，则酸性重铬酸钾溶液变为灰绿色。反应原理如下：

2 材料与方法

2.1 材料 广口瓶、橡胶塞、玻璃管、火柴棒、黄豆种子等；新鲜苹果、脱脂棉、热熔胶、澄清石灰水、浓硫酸、重铬酸钾、凡士林、蒸馏水等。

2.2 方法 首先，在无氧组和有氧组（不加盖瓶塞）的脱脂棉上滴加适量蒸馏水,在2组脱脂棉上各放12粒饱满、无破损的干黄豆（萌发率约为85%）；其次，按照实验原理，在无氧组的广口瓶中放置1个新鲜苹果片，将火柴点燃后迅速塞入瓶内（图2）；最后，将无氧组和有氧组置于室温（约25℃）条件下萌发，每天监测无氧瓶中苹果片颜色变化，并记录种子的萌发情况。

图2 火柴燃烧耗尽广口瓶内氧气

3 结果与讨论

3.1 无氧组与有氧组种子萌发结果 在适宜条件下，有氧组黄豆种子全部萌发，且随着时间推移不停生长。然而，与预期不同的是，无氧瓶内的种子也有50%左右在吸水之后长出一定长度的胚根，但是最长也在7 mm以内，并且3 d后停止生长，多次重复实验都得到类似结果。

由此推测，种子在无氧环境中，利用细胞的无氧呼吸产生少量能量，以供应种子代谢，但是，无氧呼吸产生的能量较少，无法像有氧组中的种子一样正常生长。

为进一步确认种子是否进行了无氧呼吸，收集无氧环境中种子萌发的代谢产物进行检测。资料显示，高等植物无氧呼吸会产生二氧化碳和酒精［2］，反应式如下：

3.2 种子无氧萌发代谢产物二氧化碳的检测利用排水集气法将无氧瓶内气体压入澄清石灰水中，澄清石灰水变浑浊。但火柴燃烧也会产生二氧化碳，所以种子萌发前无氧瓶内的二氧化碳含量也需要检测。在对照实验中，澄清石灰水也变浑浊。结果显示，种子无氧萌发前、后石灰水浑浊度较相似，所以仍需进一步采用二氧化碳传感器等更加精密的仪器进行检测，以确定无氧呼吸过程中二氧化碳含量的变化。

3.3 种子无氧萌发代谢产物酒精的检测 将无氧瓶中的黄豆掰开，可以闻到其散发出浓郁的酒精气味，进一步利用酸性重铬酸钾对酒精含量进行检测。取适量浓硫酸与重铬酸钾的混合液，滴加至种子表面，30 s后用清水冲洗干净，观察种子颜色变化，实验结果如表1所示，无氧组的种子表面明显变绿，而未进行萌发实验的黄豆种子几乎没有任何变化。而且，胚根越长，种子酒精含量越高，说明其无氧呼吸程度越大。为避免苹果在无氧瓶中产生的酒精干扰实验，将煮熟的黄豆置于无氧瓶中萌发。经检测后发现，煮熟后的黄豆未明显变绿，说明熟种子在无氧瓶中未产生酒精，也几乎未吸收苹果产生的酒精；按照同样操作处理有氧组种子（有氧、室温、避光条件下萌发），种子表面无明显变化（表1）。

表1 无氧组与有氧组酒精检测结果

结果说明，活种子在无氧条件下确实能够进行无氧呼吸，以产生少量能量供应细胞代谢活动使用。

4 实验结论

由以上实验可知，黄豆种子在无氧条件下不能萌发或只能长出很短的胚根，虽然细胞通过无氧呼吸产生一定的能量，但其尚不足以满足种子的能量需求。同时，由于无氧呼吸会积累酒精，酒精对植物有毒害作用，故种子在无氧环境中很快停止生长直至死亡。据此推测，无氧呼吸可能是种子在无氧环境中的一种应激能力，虽然供能量较小且时间短暂，却有利于提高种子在特殊环境下的生存几率。

利用火柴燃烧消耗氧气的特点制作无氧瓶，并进行无氧萌发实验，全程使用新鲜的苹果片作为指示，时刻都能观察到瓶内是否有氧气进入。最后，通过气味判定和化学方法检测种子内酒精含量，操作简单且现象明显。

无氧瓶设计综合运用物理学、化学与生物学知识，加强了学科间的关联性，其价格低廉、操作简单，且增加了初、高中生物学知识间的衔接性，在中学教学中具有极大的推广价值。