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1 · 第1學期普通生物學(上)科學方法

洋蔥滲透實驗

Onion Osmosis Lab

難度 2 · 基礎lab-techniqueosmosis想做成互動版

洋蔥滲透實驗是理解植物水分關係的基礎,現代定量分析結合滲透壓計、壓力探針、aquaporin 分子生物學。

水勢的精確定義

Ψ = Ψs + Ψp + Ψg。Ψs = -iCRT,溶質降低水勢。Ψp(膨壓):一般植物細胞 0.5-2 MPa。

Incipient plasmolysis 作為 Ψs 測量

在 incipient plasmolysis 時,Ψp = 0,所以胞內 Ψs = 胞外溶液 Ψs。由此可得細胞液的滲透勢。

壓力-容積曲線 (Pressure-Volume Curve)

用壓力室 (Scholander bomb) 測量:1/Ψ vs 相對含水量 (RWC)。從 linear 區外插得胞內 Ψs。斜率變化點 = turgor loss point (Ψp = 0),比 incipient plasmolysis 更準確。

Aquaporin (水通道蛋白)

Peter Agre (Nobel 2003) 發現 aquaporin:跨膜水通道,加速水滲透 10-100× 基礎通透。AQP1 在紅血球、腎臟,TIP/PIP 在植物。部分 aquaporin 也通透甘油、尿素 (aquaglyceroporin)。植物 PIP 受磷酸化調控,可快速開關以應對乾旱。

滲透調節 (Osmotic Adjustment)

植物在乾旱/鹽鹼下累積相容溶質 (compatible solute):脯胺酸 (proline)、甘胺酸甜菜鹼 (glycine betaine)、多醇類 (mannitol, sorbitol)。降低 Ψs → 維持 Ψ gradient 吸水,但合成代價高。

現代定量方法

Osmometer (凝固點下降法):測溶液滲透度 (mOsm/kg H₂O)。Pressure probe:直接插入細胞測 Ψp。FRET-based 滲透感測器:即時報告胞內滲透壓變化。

植物細胞的滲透極限

低張 → turgor pressure 上升,細胞壁阻止爆破 → 細胞擴大(生長)。高張 → plasmolysis,長期 → 細胞死亡。Halophytes 能耐受 -2 到 -5 MPa 的土壤水勢。

動物細胞無細胞壁:低張 → hemolysis (紅血球爆破);等張 → 0.9% NaCl 或 5% glucose;高張 → crenation (紅血球皺縮)。

互動工具

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