探究紫外线对生物影响的实验活动

来源:用户上传      作者: 何彬彬 黄 雯 陈铭德

　　摘要　本活动利用香蕉、果蝇、浮萍初步探究了紫外线对生物形态结构、生长发育、繁殖的影响,并通过光处理与暗处理的对照,验证了生物体中存在着光修复系统。
　　关键词 紫外线　环境因素　生物学实验
　　中图分类号Q-33　文献标识码B
　　
　　在中学的生物教材中遗传与变异部分提到,紫外线是诱导生物体发生变异的物理因素之一。其原因是:紫外线照射后,在DNA同侧链上两个相邻近的碱基之间,可以共价键相结合而形成嘧啶二聚体,从而引起突变或使基因功能丧失。但是几乎所有生物的体内都存在着一种光裂解酶,这种酶在光照条件下,可直接把嘧啶二聚体切开,恢复成正常的单体,因为需要借助光能完成修复,这种修复也称为光修复。
　　紫外线对生物影响一直是一个研究热点,但是研究的焦点一般集中于微生物如细菌等,或者是一些生理指标的测量。这些实验活动设备复杂,技术水平高,在中学层面开展是有难度的。能否利用肉眼可见的生物,可直接观测到的生命现象,让学生能真切感受到紫外线对于生物的影响。基于这样的目的,设计了本实验方案。在本次实验中,也检验了光修复系统的存在。
　　
　　1　材料与设备
　　
　　1.1　实验材料
　　未成熟:表皮色泽均匀、无斑点的香蕉,野生型果蝇三龄幼虫,约2 cm长独立的浮萍藻体。
　　
　　1.2　实验仪器
　　不透光纸箱:长1m、高50 am,30 w石英无臭氧紫外线灯,天平,恒温培养箱,光学显微镜,解剖针,培养皿,150mL锥形瓶,量筒,烧杯,玻璃棒,脱脂棉,纱布,铝箔纸。
　　
　　2　实验方法
　　
　　2.1　紫外线处理香蕉
　　取一个香蕉,香蕉前段的1/3(不包括茎)用铝箔纸包裹,作为对照;中间段1/3用紫外灯照射4 h后立即用铝箔纸包裹,作为非光修复段;末段1/3用紫外灯照射4 h后,不包裹铝箔纸,置于日光灯下24 h,作为光修复段。
　　香蕉距离紫外灯的距离为40cm,光修复段距离日光灯的距离为30 cm。处理完成后,将香蕉置于黑暗环境中,一个星期后观察实验现象。
　　
　　2.2　紫外线处理果蝇三龄幼虫
　　实验分为光修复组和非光修复组:取10个洁净培养皿,在培养皿中放人少量的水,形成一层薄的液膜即可。向每个培养皿中挑取15只肥大、行动迟缓的果蝇三龄幼虫。其中5个作为光修复组,经过紫外线照射后,暴露在日光灯下24 h后,分别转移至含有培养基的锥形瓶中;另外5个作为非光修复组,经过紫外线照射后,黑暗中放置24 h,分别转移至含有培养基的锥形瓶中。
　　紫外线照射的时间分别为0s、15 s、30 s、60 s、1.5 min,照射距离均为40cm,光修复组距离日光灯30cm。处理完成后,将装有幼虫的锥形瓶置于恒温为25℃的黑暗环境中,直到它们都变成成虫。每隔2 d观察一次,连续观察一个星期。
　　
　　2.3　紫外线处理浮萍
　　因为浮萍在黑暗中将停止生长,繁殖,所以本次活动中只探究了不同强度紫外线对浮萍形态、繁殖的影响,未设置非光修复组。
　　取3只盛有50mL清水的小烧杯,各放人5个独立的浮萍藻体。将放入浮萍的小烧杯,距离紫外灯40cm,照射时间依次为0 s、2 min、5 min,经过紫外线照射的浮萍,分别转移至盛有500 mL池塘水的3个烧杯中,将其置于太阳光可照射到的窗边,外界环境温度约为20～25℃。每天同一时刻记录浮萍的数量,持续观察一个星期。
　　
　　3　结果与分析
　　
　　3.1　紫外线照射对香蕉表皮的影响
　　对照段、非光修复段以及光修复段之间界限明显,经过紫外线照射后的部分,香蕉表皮颜色明显变成棕黑色,表皮上也出现了较多的斑点,紫外线对香蕉表皮的伤害是显而易见的。但是,光修复段的斑点明显少于非光修复段,变黑程度也要稍轻一些,这也证实了在光下,香蕉确实存在这自我修复的能力。许多学生都有过被太阳晒黑或晒伤的经历,通过这个实验,学生更加形象地看到紫外线对于生物的伤害。
　　
　　3.2　紫外线对果蝇三龄幼虫成蝇的影响
　　随着紫外线照射时间的延长,三龄幼虫发育成成虫的机率逐渐变小,当照射时间达到60 s时,存活率为零。但是如果对照射过紫外线的果蝇进行光修复处理,存活率将会提高,当照射时间达到90 s时,果蝇才会全部死亡。从表1可以明显地看到不同时间的紫外线照射、是否经过光修复果蝇存活率的差异。
　　
　　在实验过程中,发现经过长时间紫外线照射的果蝇幼虫,身体盘曲、皱缩。在显微镜下观察,发现其体内组织变黄,出现黑色斑点,甚至看不清楚气管等结构。部分幼虫可以发育成蛹,但是不能继续发育为成虫,照射的时间越长,幼虫存活的天数越短。存活的成蝇与没有照射过紫外线的成蝇比较,活动能力下降,出现残翅个体较多,可能是紫外线照射导致了果蝇产生基因突变。由此可见,紫外线不仅破坏了幼虫的结构组织,影响其发育,还能导致基因突变,甚至产生致死效应。
　　
　　3.2　紫外线对浮萍生长、繁殖的影响(图1)
　　图1显示了紫外线对浮萍生长、繁殖的影响,在没有紫外线照射的情况下,浮萍数量逐渐增加。照射过2 min紫外线的浮萍增长速度变得缓慢,但是观察发现,在形态上与对照无明显的区别。如果紫外线照射时间达到5 min时,在第二天就可以发现叶状体断裂的现象,所以短期内叶状体数目高于对照组,但是断裂的叶状体个体较小,生长缓慢。在第三、四天可以观察到有的叶片变得黄白,有的叶片上可以看到棕色斑点,后期会逐渐枯死。
　　本实验现象验证了紫外线对生物伤害的剂量效应。紫外线照射时间较短时,生物体可以进行自我修复,也没有明显的形态表现,但是紫外线辐射到达一定强度时,就会与对照组形成较大的差异。可以利用浮萍的这些特点,将浮萍作为环境中紫外线辐射强度的指示剂。
　　
　　4　讨论
　　
　　紫外线已经广泛应用到了生活中的各个领域,检验钞票、处理污水、实验室灭菌、手术治疗等。电视、荧光灯、电脑主机也会释放少量的紫外线,臭氧层空洞的出现,越来越多的紫外线到达地球表面。通过对实验结果的观察,学生可以认识到紫外线不仅可以诱发基因突变,而且对生物的生长发育以及组织结构都会产生一定的影响,对于一些较为弱小的生物,这些伤害可能是致命的。对于具体的生物机制,本活动未做深入的研究,以期望可以激发学生日后的探究兴趣。
　　本活动选用的三种实验材料均是学生非常熟悉的,而且容易获得。香蕉在市场中可以买到,但是在实验所用的香蕉最好采用捏起来比较硬的国产香蕉。果蝇的收集以及培养基的配置可采用刘金香介绍的方法,由于实验中要用到大量的三龄幼虫,而且尽量要采用同一生长周期的幼虫,所以最好能够能在实验的准备阶段同时培养多瓶果蝇。浮萍在春夏两季的水田、池塘、湖泊中都可以取得。整个实验过程的操作、观察控制在一周以内,实验现象明显,成功率高,完全可以在中学开展。但是灭菌灯对眼睛有伤害,在实验过程中,教师需要提醒学生注意。
　　
　　参考文献:
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　　[4]刘金香,野生果蝇的收集与培养[J],生物学通报,2000,35(11):35―36

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