来源公众号：地球玩家2号　作者：地球玩家

必修1 · 实验与科学思维

恩格尔曼为什么偏偏选了水绵和好氧细菌？

——那个年代没有氧电极，他让一群细菌当了探测器

光合作用的探究历程里，恩格尔曼的实验只占教材一小段：水绵、好氧细菌、黑暗、极细光束，然后得出结论——氧气是叶绿体释放的。

但为什么是水绵？为什么是好氧细菌？换成菠菜叶和别的什么，不行吗？

答案是：真的不行。这两样材料不是随手取来的实验对象，它们各自承担着一个具体的、无可替代的设计功能。把其中任何一个换掉，这个实验就做不成了。

一、真正的难题不是”测出氧气”，而是”定位氧气”

要理解材料选择的巧妙，先得看清恩格尔曼面对的是什么问题。

当时人们已经知道绿色植物在光下释放氧气——普利斯特利和英格豪斯早就做过。悬而未决的是：氧气究竟从细胞的哪个部位产生？

这个问题的难点在于它要的不是一个数值，而是一个空间位置。

而当时能用的氧气检测手段，全都给不了位置信息：化学方法需要取样，一取样就把细胞结构破坏了；即使测出了氧气总量，也只能说明”这团组织放了多少氧”，说不出”氧从哪里放出来”。

今天实验室常用的氧电极，要到20世纪50年代才由克拉克研制出来^[6,7]——比恩格尔曼晚了七十多年。而且氧电极测的仍然是一小片区域的溶氧量，空间分辨率远达不到”细胞内某个细胞器”这个尺度。

换句话说：恩格尔曼要解决的，是一个直到今天用常规仪器也不容易直接解决的问题。

他的办法是绕开仪器——找一种活的东西来当探测器。这套做法后来被称为”细菌法”，恩格尔曼在1881年的论文中系统提出了它^[1]。

二、第一个设计：好氧细菌是一台活的氧气指示器

好氧细菌有两个性质，恰好凑成了一台理想的仪器：

① 它们会朝氧气浓度高的方向游动。这是一种趋性行为。氧气在哪里多，它们就往哪里聚。

② 它们个头小，而且看得见。在显微镜下，一群细菌聚集在哪里，可以直接观察到。

把这两点合起来：细菌的聚集位置，就是氧气浓度的分布图。

这台”仪器”最了不起的地方在于它的空间分辨率——它不给出一个总量数字，而是直接把氧气的空间分布”画”在了显微镜视野里。恰恰是这一点，才对上了恩格尔曼要问的问题。

一处需要说清楚的严谨性问题

细菌的聚集反映的是氧气浓度的相对高低和空间分布，它是一种定位手段，不是对氧气产量的绝对测定。

教材说这个实验”证明氧气是叶绿体释放的”，指的是释放部位被确定了，而不是产量被测出来了。这两件事在表述时要分开。

三、第二个设计：为什么非得是水绵

有了探测器，还得有合适的被测对象。这里的要求非常苛刻：

必须能一眼看出叶绿体在哪儿，而且叶绿体之间要分得开。

水绵恰好满足。它是丝状绿藻，细胞排成一列；每个细胞里的叶绿体呈带状并螺旋盘绕，边界清晰、走向明确、在显微镜下一目了然。

这意味着：当细菌聚集在某处时，可以准确地判断出它们聚在哪一段叶绿体旁边。

图1　水绵解决的不是”有没有叶绿体”，而是”能不能分辨”

如果换成常见的高等植物叶片会怎样？叶肉细胞里的叶绿体数量多、体积小、密集分布。光束照下去，照射区里挤着一大堆叶绿体；细菌聚过来了，但你无法判断氧气来自其中的哪一个，也就无法把”氧气来源”和”叶绿体”这个特定结构对应起来。

水绵解决的不是”有没有叶绿体”的问题，而是“能不能分辨”的问题。

补充一个教材图没有体现的细节

教材插图通常把水绵细胞画成含有一条螺旋带状叶绿体。实际上，水绵属包含多个物种，不同种类细胞内的螺旋带数目并不相同，有的一条，有的数条。

这不影响实验逻辑——关键在于带状叶绿体形态清晰、位置可辨，而不在于具体有几条。

四、第三个设计：黑暗、无空气与那束极细的光

材料备齐了，还要把干扰降到最低。教材提到的三个条件，每一个都在解决一个具体问题。

图2　每一个实验条件都在排除一种特定的干扰

① 黑暗环境——如果整个视野都亮着，水绵各处都在进行光合作用，到处都在放氧，细菌就会均匀分散，位置信息立刻消失。黑暗保证了只有被光束照到的地方才放氧。

② 尽量排除环境中的空气——目的是把背景氧气浓度压到很低。背景越低，光合作用释放的那一点点氧气造成的浓度差就越明显，细菌的聚集才会集中而清晰。这相当于把仪器的”信噪比”提上去。

③ 极细的光束——这是全套设计中最精彩的一步。它在同一根水绵丝、甚至同一个细胞内部，制造出了”被照到的部位”和”没被照到的部位”。

这是一个自身对照，不是两组比较

通常的对照实验要设两组材料。而这里，对照组和实验组在同一根水绵丝上。

好处是决定性的：两个部位的材料完全相同、生理状态完全相同、所处环境完全相同，唯一的差别就是有没有被光照到。任何”两组材料本身有差异”的质疑，从设计上就被排除了。

教材还提到了另一半：如果把整个装片完全暴露在光下，细菌就分布在叶绿体所有受光部位的周围。这一步同样重要——它排除了”细菌恰好喜欢待在那个位置”的可能，证明细菌追随的确实是光照与叶绿体的重合处，而不是叶绿体上某个固定的点。

五、四个设计要素，各解决一个问题

设计要素	解决了什么问题	换掉会怎样
好氧细菌	充当氧气指示器，把氧气的空间分布显示在显微镜视野中	当时没有任何仪器能给出这一尺度的位置信息
水绵	带状螺旋叶绿体边界清晰、可分辨，使”氧气来源”能与特定结构对应	换成叶肉细胞，叶绿体密集重叠，无法定位
黑暗＋少空气	压低背景：只有受照部位放氧，且微小的浓度差也能被察觉	背景过高，细菌均匀分散，信号被淹没
极细光束	在同一材料上制造自身对照，唯一变量是”是否受光”	若用宽光照射，无法确定放氧部位

四项缺一不可。这个实验的精妙之处不在操作步骤，而在于材料本身承担了仪器的功能。

六、它证明了什么，没有证明什么

这是需要格外注意措辞的一节。

能够支持的结论：光下释放氧气的部位是叶绿体；氧气的释放依赖于光照射到叶绿体。

不能直接得出的结论之一：不能由此断定叶绿体是合成有机物的场所。这个实验检测的指标自始至终只有氧气，没有涉及有机物。有机物方面的证据来自另一条线索——萨克斯用叶片遮光后经碘蒸气处理，观察到见光部位产生了淀粉。

不能直接得出的结论之二：不能由此说明光合作用的全部反应都在叶绿体内完成，也不能说明其中的具体步骤。那需要后来鲁宾与卡门的同位素标记实验、以及卡尔文的工作来填补。

所以教材”叶绿体是光合作用的场所”这个结论，不是任何一个实验单独给出的——恩格尔曼给的是放氧部位，萨克斯给的是有机物生成部位，两条独立证据指向同一个细胞器，结论才立得住。

一个实验解决一个问题，这才是探究历程被写成一串而不是一个的原因。

七、同一套思路，他还回答了另一个问题

恩格尔曼的”细菌法”不止用过一次。他还做了一件更漂亮的事：

在显微镜上加装棱镜，把太阳光分解成光谱，让不同波长的光分别照到丝状绿藻的不同区段上，然后观察细菌沿着藻丝的分布密度。

结果是：细菌在红光区和蓝紫光区聚集得最多，在绿光区明显稀少^[2]。

图3　示意图：细菌的疏密分布勾勒出作用光谱的形状

这条由细菌”画”出来的曲线，是历史上第一条光合作用的作用光谱。而它与教材中”叶绿素主要吸收红光和蓝紫光”的吸收光谱高度吻合——两条独立得到的曲线互相印证，共同支持了”被色素吸收的光才能用于光合作用”这一判断。

一处流传较广的混淆，值得澄清

恩格尔曼在1880年代前期做过一系列相关实验，使用过不止一种丝状绿藻。教材讲述的定位实验用的是水绵；而据科学史文献考订，他绘制作用光谱时所用的材料，图示记载为刚毛藻（Cladophora）。

不少教辅把两个实验都笼统说成”水绵”，这是一处应当留意的细节。但这不影响任何高中结论。

八、高考会怎么考

① 材料选择的理由。这是近年出现频率明显上升的设问方式，也是典型失分点。问法如”该实验为什么选用水绵作为实验材料””好氧细菌在实验中起什么作用”。
——答题要点：水绵的带状叶绿体形态清晰、便于观察和定位；好氧细菌能趋向高氧区域，其分布可指示氧气产生的部位。

② 实验条件的作用。问”为什么要在黑暗、没有空气的环境中进行””为什么用极细光束”。
——答题要点：黑暗与排除空气是为了排除干扰、使实验结果明显；极细光束是为了形成受光与不受光部位的对照。

③ 结论边界的判断。问”该实验能否证明叶绿体能合成有机物”，或给出几个结论要求判断哪些能由本实验得出。

④ 迁移设计。给一个新问题，要求借鉴”用生物作检测手段”的思路自主设计方案。这类开放设问考的正是本文讨论的设计意识。

两个常见干扰项

“该实验证明了叶绿体是光合作用制造有机物的场所” ——错，本实验只检测了氧气。

“该实验测定了叶绿体释放氧气的量” ——错，细菌分布指示的是氧气浓度的相对高低与位置，不是产量的测定。

九、边界：理解与答题口径

高中阶段这样理解	严格来说是这样	考试这样答
该实验证明叶绿体是光合作用的场所	它确定的是放氧部位；完整结论还需萨克斯等实验共同支持	按教材答；若问”能否证明合成有机物”则答不能
好氧细菌用来检测氧气	它指示的是氧气浓度的空间分布，非产量测定	答”指示氧气产生的部位”，不要写”测定氧气量”
水绵有一条螺旋带状叶绿体	不同种类水绵的带数不同；关键是形态清晰可辨	答”带状（螺旋状）叶绿体便于观察定位”
在”没有空气”的环境中进行	指尽量排除环境中的氧气以降低背景，并非绝对无氧	照教材表述作答即可

本文图表均为原创绘制，示意图不代表原始实验数据

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