草履虫伸缩泡的实验观察与模型分析

关于草履虫伸缩泡的实验观察报告与伸缩泡功能机制模型的讨论

摘要

草履虫的伸缩泡是其重要的水盐调节结构。它保障了单细胞个体的形态、功能的稳定，对于调节细胞质的化学环境起着重要作用。关于伸缩泡的应急变化与环境浓度的关系就显现除了一定的意义。本文将通过对一组实验的记录与分析入手，讨论草履虫伸缩泡的调节机制，猜想并假设伸缩泡的结构模型。

关键词

草履虫伸缩泡调节机制收缩频率

引言

草履虫的伸缩泡是其重要的水盐调节结构。它保障了单细胞个体的形态、功能的稳定，对于调节细胞质的化学环境起着重要作用。然而草履虫的伸缩泡却又不是每个草履虫的绝对结构，它不像人的手脚一样。不同草履虫（同一种）的伸缩泡的数量不尽相同，而且生活环境的改变会使得草履虫的伸缩泡出现消失的情况。这些问题都需要一个合理的调节模型的解释。

正文

实验数据

实验简介：

1.材料

材料：草履虫培养液，显微镜、载玻片、盖玻片、镊子、吸管、吸水纸、

不同浓度生理盐水（0.1 ﹪，0.3，0.5，0.7，0.9 ）（为质量分数）

2.实验原理

草履虫在不同浓度的环境溶液下，伸缩泡的反应不同。

3.实验过程（实验过程部分摘抄自百度文库

(1)临时玻片制备：为限制草履虫的迅速游动以便观察，先将少许棉花纤维撕松放在

载玻片中部，再用滴管吸取草履虫培养液滴1滴在棉花纤维之间或用牙签挑取培养缸边或稻草杆上膜状粘腻物，涮在水滴中。盖上盖玻片，在低倍镜下观察。如果草履虫游动仍很快，则用吸水纸在盖玻片的一侧吸去部分水（注意不要吸干），再进行观察。当载片、盖片之间的水渐少时，虫体被压，运动困难，略有变形，此时，伸缩泡活动最清楚。

内质内大小不同的圆形泡，多为食物泡。细心观察在虫体的前、后端不时有亮点出现，逐渐变大，又突然消失，前后交替进行，可以伸缩，为伸缩泡。当伸缩泡主泡缩小时，可见其周围有6～7个放射状排列的长形透明小管，即收集管。

（2）实验安排：一排为一个实验组，本组共五人，前四人分别负责原液，蒸馏水，

0.1%，0.3%生理盐水，最后一人负责剩下三个高浓度生理盐水。随选取2~3个样本，每

个样本至少计数3个时间周期（以1分钟为一周期）。在低倍镜下选择1个清晰又不太活动的草履虫，转高倍镜观察其伸缩泡的收缩。用秒表记录伸缩泡的收缩周期，重复3次计数，取平均值，并推算每分钟伸缩泡的收缩频率。再选择1只草履虫，如上计数。

然后计算草履虫伸缩泡的平均收缩频率。

4. 实验数据

5. 误差分析

（1）制片误差：包括制片质量，草履虫数量，活动程度，观察难易程度。存在的误差已经在上表中说明

（2）理论误差：样品草履虫的生活环境是否适宜，是否有比较大的选择压。草履虫的个体差异比较大，此时没组选3个实验组即3个个体其个体之间的差异对实

验数据的影响很大。

（3）操作误差：观察时间过长——会导致草履虫的死亡。

（4）设计误差：温度、pH、离子种类、氧气的溶解量等变量没有考虑，会造成一定

误差。

6. 实验数据分析及结论

由现有的实验数据，我们可以的得出这样的结论：伸缩泡的功能是比较单纯的排出多余的水分，从功能上来说是一个比较简单排水单位。其排水速度和外界环境的液体环境基本上呈负相关。从本质上来说，其排水速度和细胞的进水速度呈正相关。

由上面的结论我们可以进一步分析草履虫伸缩泡的收缩频率的直接影响因素是什么。细胞获得谁的速度变化导致的结果包括：细胞质的浓度变化、细胞大小的变化、细胞某些反应的速度的变化、细胞膜张力的变化、pH的变化。当然也有可能是综合因素的作用结果，并且我们也要考虑到，上述的几个变化在某种程度上也是等价的或者说是同一结果的不同等级的表现。如果能谁是核心因素这一问题，对草履虫伸缩泡的工作机制的问题也就迎刃而解了。我们在下一部分将讨论有关草履虫伸缩泡工作机制的模型。

草履虫伸缩泡工作机制的模型讨论

四膜虫和草履虫的收缩泡的显微结构（引自《生物学通报》中国科学院昆明分院生态研究室朱桦）

在电镜照片上, 变形虫伸缩泡的外膜与细胞膜相似, 也是一层单位膜, 膜外围有许多小泡,小泡外边还有一层线粒体。水先进入小泡, 然后小泡融合而形成伸缩泡。四膜虫的伸缩泡除主泡外,还有许多小管，小管一端通向主泡,另一端伸入细胞质中, 与滑面内质网相连。两个排泄孔的壁较厚,并有微管支持,这些微管可能有调节排泄孔开关的作用。

草履虫的伸缩泡,除储液泡外,收集管进一步分为肾小管、收集管（或称放射管）、壶腹和喷射管等部分。此外,在储液泡、收集管和排泄孔上还分布有与收缩作用有关的带状纤维。肾小管围在收集管外,并通入收集管的网状管系,它们的远端和四膜虫一样,也是和内质网相通的。当伸缩泡的储液泡收缩时,水由内质网进入肾小管,再流入收集管, 此时收集管舒张，等到水充满收集管后,收集管开始收缩,同时收集管和肾小管的连接断开,使水不能倒流而进人壶腹,此时壶腹膨大，水从壶腹喷射管而进入储液抱,储液泡充水舒张后,突然收缩,把水从排泄孔排出。在储液泡收缩时,带状纤维使喷射管和壶腹收缩，收集管的直径也处于很狭窄的阶段,这就防止了储液泡里的水倒流。与此同时,收集管与肾小管重新接通,又开始了下一个舒缩周期。

关于草履虫伸缩泡功能机制的模型的讨论

伸缩泡的发生机制

我认为伸缩泡应该属于细胞膜或内质网的特化结构，并不是独立的细胞器。一方面它的结构与内质网与细胞膜类似，另一方面它的功能的实施依赖于内质网和细胞膜，在功能上它

们三者有着极高的相关程度。

伸缩泡的产生与消失可能并不像叶绿体的产生与消失那样受到遗传物质的调控，它的存在和工作可能都是被动的。原因如下

1.伸缩泡的结构十分简单，对于个体来说数目也比较稳定。基本不受基因的控制。

2.从结构组成上来说，作为基本是膜组分的细胞器来说，细胞核很难进行有效的控制、其

自身也很难有自主性。

3.从功能上来说，伸缩泡的工作是由环境这一外因决定的。并且其工作能力并不强。

由此可见，草履虫应该只是膜系统中的一个特化结构，它工作的原理基本上是被动的阻碍细胞内水分的增加。随着水分的量达到某一阈值，其功能“开关”就会被打开，就像公共厕所常用的自动冲水阀门一样，是一种比较低级的被动细胞器。

如果这种假设成立，我们也可以构建这样一种模型——伸缩泡是因为细胞膜被迫（水压、渗透压等等外力）而临时产生的，就像一个皮肤很白的人在强紫外线的生活环境下皮肤会变色一样，伸缩泡只是一类临时性状。这也解释了，为什么同一个体（草履虫）在淡水中存在的伸缩泡会当该个体在海水中时消失。因为伸缩泡可能只是一类被动的临时细胞器，它可能并不能算作草履虫的细胞系统中的一个细胞器层面上固有的结构。

当然这种假设并没有实在的证据来证明，但现有的事实也不足以证伪。该模型应该有其存在的意义。