摘要：草履虫不仅是动物学教学中的重要模式生物，也是科学研究的重要研究材料。本研究以草履虫为研究对象，通过其摄食消化现象及伸缩泡的伸缩频率的观察研究发现，伸缩频率的变化与摄食及消化状态之间存在一定的相关关系：形成食物泡时伸缩频率较高；食物泡堆积于体后端时，伸缩频率仍较高；食物泡在向体前方移行过程中，伸缩频率升高至最高值；食物泡从体前端向体后端开始移行时，伸缩频率开始降低；排出食物残渣时，伸缩频率降低至最低值。
关键词：草履虫；食物泡；移行；伸缩泡；伸缩频率
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）08-0067-02
一、前言
草履虫（Paramecium caudatum）隶属原生动物门（Phylum Protozoa）纤毛纲（Ciliata），是动物界中较原始、较低等、较典型的单细胞动物，因其形态似草鞋而得名，常见种类主要有尾草履虫和旋毛草履虫等。由于草履虫具有个体大、易培养、繁殖快等特点，已成为动物学、实验生物学中的常用教学材料，也是教学和科研必备的模式生物，在生理学、遗传学、细胞生物学以及生物化学等领域也有着广泛的应用。同时，草履虫也是环境保护科学研究中用于环境监测和水质净化的活性生物材料。故观察研究草履虫摄食过程（包括食物在体内的形成与食物泡的体内的移行过程）以及与草履虫伸缩泡伸缩频率的相关关系，不仅可以了解草履虫的摄食与水分调节情况，还可进一步为用草履虫作为净水指示生物提供理论依据[1]。
二、材料与方法
1.实验材料、试剂与器具。实验材料：草履虫、米粒、纱布、棉花、牙签；试剂：洋红粉末、95%乙醇；器具：Nikon SMZ1500体视镜、Nikon E600生物显微镜、水浴锅、人工气候箱、烧杯、毛细微管、滴管、载玻片与盖玻片等。
2.实验方法。草履虫的采集：于野外进行草履虫的采集[2]，并带回实验室进行下一步的单克隆培养。草履虫的培养：通过米粒培养液的制备进行草履虫的单克隆培养。草履虫的活体观察：使用棉纤维阻滞法和蛋清困扰法对草履虫的运动进行限制，以起到草履虫摄食及食物泡移行现象的最佳观察效果[3]。相关数据记录与分析：通过显微拍照记录草履虫的摄食现象、食物泡的形成、食物残渣的排出以及伸缩泡收集和排出水分等现象的变化过程，并分别记录下食物泡形成所需的时间、食物泡在体内移行所需的时间以及伸缩泡的伸缩频率等关键数据。最后进行数据统计分析，以揭示草履虫摄食与排水的相关性分析。
三、研究结果与讨论
1.研究结果。草履虫摄食及食物泡移行现象。通过研究表明，食物经草履虫的口沟从胞口进入胞咽，在胞咽下端形成小泡后脱落，即为食物泡，此过程比较迅速（用时1分钟左右），在显微镜下可观察到洋红粉末快速地进入胞咽形成食物泡；食物泡形成后在草履虫体内按一定路径移行，从体后端向体前端移行，又从体前端移行到体后端，最终排出食物残渣（用时10分钟左右）。此外，草履虫从摄食到食物泡完全形成所需时间在1分钟左右；草履虫从摄食到食物残渣排出的过程所需时间在10～15分钟左右。
草履虫伸缩泡伸缩频率：草履虫前后各有一个伸缩泡，交替伸缩，调节体内水分平衡。草履虫伸缩泡伸缩频率并不是一个固定值，变化幅度在3～15次/分钟，具体伸缩频率的高低通常与草履虫自身的生理状态有关：在整个摄食与消化过程中，消化中期伸缩频率最高（平均14次/分钟），残渣排出期的伸缩频率最低（平均4.3次/分钟）；此外，伸缩频率还与草履虫所处环境的水量有关，伸缩频率随水量的改变也不同。
2.讨论。草履虫摄食及食物泡移行规律：草履虫在运动过程中，胞咽内由纤毛组成的小膜与口沟内纤毛的协调摆动，激起一股冲着胞口流动的水流，使得食物颗粒随着水流进人胞咽。食物在胞咽内，随胞咽内纤毛的运动，被携带至胞咽后部，聚集在一起，被胞咽皮层分泌的膜包裹。食物继续往后朝内质移行，在胞咽底部形成食物泡。这个过程较为迅速，只需1分钟左右即可完成，在显微镜下可清晰看到洋红粉末不断进入胞咽底部，食物泡随着洋红粉末的增多而变大直到一定大小，便由其周围流动着的原生质将它从胞咽末端带走[4]。由于草履虫继续摄食，另一个食物泡又开始在胞咽末端形成，成形的食物泡首先悬浮在草履虫体后端，由于形成食物泡的速度较快，而食物泡在体内移行的速度则相对慢一些，所以一段时间后在草履虫体后端便会有多个食物泡堆积，在体后端停留时间约2分钟左右。在这个时期，食物泡在运动中经过失水稍有减小，但此时食物泡内没有酶的活动，其中的食物也没有明显的变化。食物泡运动后，能诱导溶酶体的产生，食物泡在继续运动中大量失水，体积明显缩小，溶酶体便靠近食物泡并与之结合。酶进入到食物泡内部，与其中的食物相作用，发生强烈的消化反应，食物颗粒被逐渐消化，此过程约需要5分钟，此时食物泡已移动到草履虫体前端。食物被继续消化直至消化完成，食物泡向后移行到草履虫体中部，食物泡大大减小，其中只残留不能被消化的废物，此过程约需1分钟。此时，食物泡通过吸水稍有膨大，食物泡在继续运动终于在接近胞肛的地方逐渐消失，残渣则经过胞肛排出，显微镜下可清晰看到洋红粉末从胞肛被迅速排出，排出后胞肛闭合，此过程约需4分钟左右。从实验结果看来，草履虫从摄入食物开始，直至食物残渣排出体内，所需要的时间约在10～15分钟左右。草履虫本身生理状态、所处环境的水量和食物量等因素，都会使完成该过程所需要的时间有所不同[4]。
草履虫伸缩泡伸缩频率的变化：伸缩泡作为调节草履虫体内水分调节的重要结构，其作用方式是通过在伸缩泡主泡及收集管上的收缩丝收缩使内质网收集的水分和代谢废物排入收集管，注入伸缩泡的主泡，通过表膜小孔（或称排泄孔）排出体外。在显微镜下，可清楚地观察到前后两个伸缩泡交替伸缩，排出体内多余水分，舒张期往往较收缩期长一些，并且靠近口端即位于体后端的伸缩泡较远口端的伸缩泡的伸缩更快。某数据记录了伸缩泡在不同状态下的伸缩频率，该数据表明，伸缩泡的伸缩频率在不同生理状态下不同，且呈一定规律改变。在非进食阶段，草履虫平均伸缩频率为8.6次/分钟。以非进食阶段的伸缩频率为标准，可发现草履虫摄食和消化过程中伸缩频率发生了明显的变化：食物消化中期伸缩频率最高，平均14.0次/分钟；食物泡形成期伸缩频率较高，平均10.7次/分钟；食物消化前期伸缩频率次高，平均9.7次/分钟；食物消化后期伸缩频率较低，平均6.2次/分钟；残渣排出期伸缩频率最低，平均4.3次/分钟。
3.伸缩频率与摄食相关关系的探索性分析。基于上述结果发现，伸缩频率的变化与摄食及消化状态之间存在一定的相关关系：摄食与食物泡的移行过程使体内水分变化，从而影响水分调节。具体表现为：摄食阶段，食物进入胞咽的同时，体外水分伴随着食物一同进入，随着食物的不断增多，水分也在增多，并且未成形的食物泡体积在持续增大，使草履虫体内水分增加的同时，储水的空间有所减小[5]。此时，为了使水分平衡，伸缩泡加快伸缩，每次舒张主泡内装满水后，便迅速收缩将多余的水分排出。很快，草履虫体内的水分又重新达到平衡状态，停留于草履虫身体后端且处于食物消化前期的食物泡，在运动中稍有缩水[4]，使体内水分增多，因此伸缩频率仍然高于未摄食阶段。食物消化中期，食物泡已在运动中大量失水，水分流入胞质中，食物泡与溶酶体结合进行消化，此时由于自身的新陈代谢活跃随之产生部分水分，因此该阶段中草履虫体内水分又迅速增多，故伸缩泡加快伸缩以排出多余水分，达到了伸缩频率的最高值。食物消化完成后，食物泡体积减小，进入食物消化后期，食物泡内残留着不能被消化的废物，食物泡又通过吸水稍有膨大[5]。吸水使胞质内水分减少，因此伸缩泡的伸缩减慢，伸缩频率低于未摄食阶段。后期的食物泡继续移行，靠近胞肛时食物泡消失，胞肛开口将剩余的残渣排出体外，同时也排出了部分水分，又由于此阶段草履虫新陈代谢缓慢，体内水分较平时要少一些，因此在此过程中，伸缩频率达到了最低值。在完成消化过程后，草履虫又进入非摄食时期，伸缩频率渐渐恢复。本实验中由于草履虫所处的环境是有盖玻片覆盖的载玻片上，周围水分有限，而伸缩泡的伸缩频率除了与自身生理状态有关之外，还与周围环境有关，因此实验中的伸缩频率数据也许与在自然环境中的伸缩频率有所出入，但其规律是基本一致的。通过本研究的结果可得出：摄食及消化状态影响伸缩频率的变化。摄食期间，形成食物泡时伸缩频率较高；食物泡堆积于体后端时，伸缩频率仍较高；食物泡向体前方移行过程中，伸缩频率升高至最高值；食物泡从体前端向体后端开始移行时，伸缩频率开始降低；排出食物残渣时，伸缩频率降低至最低值。
参考文献：
[1]顾福康.尾草履虫对食物的消化[J].生物学通报，1985，（18）：8-10.
[2]龚军辉.草履虫的采集、培养和观察方法[J].高等函授学报（自然科学版），2003，16（1）：42-43.
[3]马惠钦，周洪显，石玉珍.对草履虫培养和观察实验的改进[J].四川动物，2006，25（1）：190.
[4]颜庆云，余育和.草履虫的运动与摄食[J].生物学通报，2008，43（8）：19-20.
[5]赵玉敏.动物体内水分平衡调节[J].生物学通报，2004，39（12）：23-24.