恩格尔曼经典实验解析与还原

 

来源公众号：祥子说生物　作者：孟安华 王秀莉

摘要  光合作用的探究历程非常漫长，其中恩格尔曼证明叶绿体是光合作用场所的实验堪称经典。人教版高一生物学教材中简单介绍了恩格尔曼的实验过程，但并没有给予详细的描述，本文根据当时的条件将恩格尔曼的实验进行解析和还原。

自从1771年普利斯特利证实空气参与光合作用后，经历了近两个世纪、多位科学家的努力才成功探究清楚光合作用的过程。其中，恩格尔曼（TheodorWilhelm Engelmann,1843一1909）在1881年证明光合作用的场所是叶绿体的实验是生物学史上的经典实验之一。在当时精密仪器及实验技术尚未得到发展的条件下，恩格尔曼能够以简单却又极其精妙的实验证明光合作用的场所是叶绿体以及叶绿体主要吸收红光和蓝紫光用于光合作用并释放氧气，这组限制因素较多的实验是如何进行的？实验条件又是如何保证的呢?现对该实验过程进行解析与还原。

1   恩格尔曼经典实验解析

1.1 实验材料的选取及背景   恩格尔曼分别选取了水绵和好氧细菌作为实验材料。

1.1.1 水绵   水绵是广泛生于富含有机质的静止水体中的接合藻纲水绵科绿色真核生物,是由一系列柱状细胞构成的不分枝的丝状多细胞藻类，营养细胞宽20～84µm，叫长93～300µm,在细胞核周围有多条呈放射状的胞质丝是细胞质联络丝，细胞内含一条或多条大型的叶绿体呈螺旋式紧贴在细胞膜上，带状叶绿体上分布着一列深绿色的小核（教材上该实验示意图中的白色小点）是蛋白核。

1.1.2 好氧细菌   好氧细菌喜欢聚集在氧气较多的地方,对氧非常敏感,当暴露在极少量气体中时,会向着氧气含量多的地方运动。恩格尔曼实验之前，已经有科学家证实光合作用在光下进行，绿色植物吸收二氧化碳,并释放氧气。他在设计实验时利用水绵的便于观察的带状叶绿体及好氧细菌的特性，观察到的好氧细菌聚集处就是光合作用进行并释放氧气的位置,该实验设计简单巧妙，结果容易观察。

水绵和好氧细菌是恩格尔曼实验的正确选择,也是实验成功的关键，但恩格尔曼选择水绵和好氧细菌作为实验材料并非偶然。据资料记载，恩格尔曼15岁时开始进入实验室在显微镜下观察各种生物（包括细菌和藻类），发现某些细菌有驱化性和趋光性，提出将好氧细菌作为探测微量氧气的氧传感器,它们敏感度高,即使远小于百万亿分之一毫克的氧气量也能轻易测出来,可用来检测各种植物和微生物光合作用过程中氧气的产生,这才有了经典的恩格尔曼水绵实验。

1.2 实验条件的控制   恩格尔曼的实验是将载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内 , 在黑暗中用极细的光束照射水绵 ， 排除空气能避免氧气对实验的干扰 ， 黑暗的环境可保证极细的光束是水绵光合作用中光能的唯一来源。

1.2. 1 黑暗环境   黑暗的环境可以通过将实验系统放置在暗室或显微镜箱里来实现 ， 抑或用黑布遮盖或定制一个特殊的封闭箱子来保证黑暗环境避免光照。

1.2.2 没有空气的环境   没有空气的环境可能是一个用真空泵（当时的真空泵制造技术已经比较成熟）抽离空气的封闭小室。也有文献中描述恩格尔曼在验证红光和蓝紫光是叶绿体吸收的有效光时先用氢气充满整个微室，去除氧气，然后再进行实验。

恩格尔曼实验是在没有空气的条件下进行的，而光合作用的过程是吸收二氧化碳释放氧气，没有二氧化碳的环境会不会影响光合作用的进行呢？根据1939年科学家鲁宾和卡门的实验结果可知,氧气是在光反应阶段产生的,氧原子来源于水,由于恩格尔曼的实验中缺乏二氧化碳，其光合作用并不完整，应只进行了第一阶段（即光反应阶段），但能释放出氧气。

如果将实验微室中通入的氢气换成二氧化碳,也可以达到减少氧气影响实验的目的，同时可保证光合作用的完整进行。

1.2.3 极细的光束    在恩格尔曼时期光学的研究已经很深入，据文献记载，恩格尔曼使用的显微镜是由卡尔蔡司特意制造的,照明采用气体光或阳光,经过聚光镜后照射在狭缝上,狭缝宽度可调范围为0-2mm,长度可变，从而获得极细光束。

恩格尔曼的第二个实验用的也是卡尔蔡司制造的装有棱镜的显微镜（又称显微光谱仪器），在聚光镜与样品之间安装有棱镜和狭缝，光源经过棱镜和狭缝以后形成狭窄的光谱投射到标本平面上,好氧细菌主要聚集在水绵叶绿体的红黄光投射处，蓝光照射处也有少量的聚集，该实验采用的光是太阳光。孙天予等人在学生显微镜的光源上设置一道狭缝（宽0.2mm）,并在通光孔下安装光栅片（600线）,将恩格尔曼的显微光谱仪实验呈现在课堂上。

1.2.4 光学显微镜   19世纪80年代，光学显微镜机械部件的基本构型完成定型，目前使用的小型生物研究显微镜几乎全部保持着当时的原型,结构简单但效果良好的双透镜目镜及消色差物镜和油浸物镜已经应用^[8],显微镜技术的发展为恩格尔曼的显微观察提供了保障。

1.3 实验对照组的设置   恩格尔曼实验中一组是在没有空气的黑暗环境中用一束极细的光照射水绵,另一组则将水绵直接暴露在光下。第一组实验结果显示,好氧细菌只聚集在叶绿体被光照射的部位（没有被光照射与被光照射的两个部分形成了对照），说明释放氧气的部位是被光照射的叶绿体;暴露在光下的实验组结果显示好氧细菌分布在叶绿体所有被光照的部位，相当于阳性对照组，进一步验证氧气的产生与光照和叶绿体有关。根据单一变量原则，暴露在光下的实验也应在没有空气的环境中进行。

2 恩格尔曼经典实验的还原

2. 1 实验设备的准备    定制一个比较严密且不透光的箱子，将显微镜载物台及以上部分罩入其中，箱子的正面要留有孔或门，能将目镜放在外面并方便手伸入其中放置样品或更换物镜。箱子的底部留有一个小孔，插入橡皮管，将钢瓶中的氢气通入排除箱子中的空气。

2.2 样品的准备    在载玻片上滴加含有好氧细菌的清水，将水绵铺展在载玻片上的水里，盖上盖玻片后制备成临时装片，将装片放置在显微镜的载物台上。

2.3 样品的观察    调整显微镜下部的聚光镜,使聚焦好的太阳光经过狭缝，只有一束极细光束进入显微镜的光路，在低倍镜下寻找藻丝比较直并且细胞纵向与光束方向一致的水绵，使光束照射在水绵细胞的一侧,换高倍物镜观察装片中好氧细菌的移动,并记录实验结果。

3 反思　对于恩格尔曼经典实验进行解析和还原基本可以明确该实验的细节,并体会到一个实验是否成功、能否成为经典,实验材料的选择和实验设备及实验过程的设计至关重要。

来源| 生物学教学，2022年第3期

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