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備課素材:細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出問題釋疑-2023-2024學(xué)年高一上學(xué)期生物人教版必修1

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備課素材:細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出問題釋疑-2023-2024學(xué)年高一上學(xué)期生物人教版必修1

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細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出問題釋疑
1.擴(kuò)散(作用)、滲透(作用)與自由擴(kuò)散有什么關(guān)系?
擴(kuò)散指由分子隨機(jī)熱運(yùn)動造成的物質(zhì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域移動的過程。雖然單個分子的運(yùn)動無明顯的方向,但宏觀上我們可以觀察到物質(zhì)順著濃度梯度進(jìn)行擴(kuò)散,驅(qū)動力是濃度差。
當(dāng)相鄰兩區(qū)域被一層選擇性滲透膜分別隔開時,水分子和小的不帶電的物質(zhì)可跨膜移動,而大分子和帶電物質(zhì)被阻隔,這種運(yùn)輸方式稱為滲透作用。滲透作用由水勢梯度驅(qū)動。
自由擴(kuò)散則是指物質(zhì)從濃度高的區(qū)域向濃度較低的區(qū)域的凈移動過程。
2.發(fā)生滲透作用后,半透膜兩側(cè)的高度差與兩側(cè)溶液的濃度差有什么關(guān)系?
其他因素?zé)o差異時,水會通過半透膜向高濃度側(cè)移動。高濃度側(cè)液柱上升重力勢升高,而溶液被稀釋后滲透勢升高;低濃度側(cè)液柱下降重力勢降低,而溶液被濃縮后滲透勢降低。體系穩(wěn)定后,兩側(cè)水勢相等(兩側(cè)溶液的滲透勢差的絕對值等于重力勢差的絕對值),存在高度差。
由以上分析可知,最終高度差與初始濃度差非線性正相關(guān)。
3.滲透裝置達(dá)到平衡狀態(tài)后,半透膜兩側(cè)會存在一定的高度差,維持高度差的原因是什么?
在一個滲透系統(tǒng)中,水移動的方向決定于半透膜兩側(cè)溶液的水勢高低。水勢高的溶液中的水,流向水勢低的溶液。實(shí)際上,半透膜兩側(cè)的水分子是可以自由通過的,而清水的水勢高于蔗糖溶液的水勢,因此從清水流到蔗糖溶液的水分子比蔗糖溶液流到清水的分子多。隨著水分逐漸進(jìn)入漏斗內(nèi),液面逐漸上升,靜水壓也逐漸增大,壓迫水分子從漏斗內(nèi)向燒杯移動速度就越快,膜內(nèi)外水分進(jìn)出速度越來越接近。最后液面不再上升,停滯不動,實(shí)質(zhì)上是水分進(jìn)出的速度相等,呈動態(tài)平衡。
4.兩種溶液的高度差達(dá)到平衡狀態(tài)后,加酶或取出一側(cè)部分溶液等不同處理方式對半透膜兩側(cè)的溶液高度差有什么影響?
加酶或取出一側(cè)部分溶液等不同處理方式對半透膜兩側(cè)的溶液高度差會產(chǎn)生不同的影響。
(1)加酶可能會帶來某一側(cè)液面上漲、不變或降低。酶將溶液中的溶質(zhì)微粒分解為更小的微粒(每個原微粒分解為兩個成多個,且新形成微粒中不包括水分子)。
①若新形成微粒均不能通過半透膜,那么這側(cè)水勢會降低。平衡后液面會上升,高度差增大。
②若新形成微粒均能通過半透膜,那么這一側(cè)水勢會升高。若分解完全,最后兩液面會等高,即高度差消失。
③若部分新微粒能通過而部分不能通過,問題就比較復(fù)雜了,需要具體討論。
新微粒中包含水,即酶能催化底物(原溶質(zhì))脫水。a.只催化了脫水一種反應(yīng)(相當(dāng)于在某一側(cè)加了水),那么兩側(cè)溶液都會被稀釋(其中一側(cè)是水不影響我們的討論)。而問題4的討論中我們已知最終兩側(cè)溶液的滲透勢差的絕對值等于重力勢差的絕對值,前者會因稀釋減小,那么后者也會減小,高度差會降低。b.不止催化脫水反應(yīng),也需要具體討論。酶不催化任何反應(yīng),相當(dāng)于在一側(cè)加了溶質(zhì)。酶分子都較大,無法通過半透膜,最終使高度差增大。
(2)若取出高濃度一側(cè)部分溶液,會使這一側(cè)重力勢降低,水會向這一側(cè)移動。到平衡時,這一側(cè)溶液實(shí)際上被稀釋了,另一側(cè)若為溶液則被濃縮了(為水也不影響討論)。滲透勢差的絕對值減小,最終使高度差減小;若取出低濃度一側(cè)部分溶液(是水液同樣不影響討論),與上一情況相反。低濃度被稀釋,而高濃度被濃縮。滲透勢差的絕對值增大,最終使高度差增大。
5.活細(xì)胞都能與外界溶液發(fā)生滲透作用嗎?只有成熟的植物細(xì)胞才能發(fā)生質(zhì)壁分離嗎?
從生物學(xué)功能分析,活細(xì)胞的細(xì)胞膜具有選擇透過性,從物理角度分析,活細(xì)胞的細(xì)胞膜具有半透性。活細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)含有水、無機(jī)鹽及有機(jī)物,可視為有一定濃度的溶液,當(dāng)活細(xì)胞與外界溶液直接接觸時,只要與外界溶液之間存在一定的濃度差,可以與外界溶液發(fā)生滲透作用吸水或失水。
植物細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離的條件有:①原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜,②細(xì)胞液濃度小于外界溶液濃度,③細(xì)胞壁的伸縮性小于原生質(zhì)層(原生質(zhì)體)。沒有大液泡的植物細(xì)胞在高滲溶液中,由于滲透作用失水也會發(fā)生質(zhì)壁分離,只是原生質(zhì)體收縮不明顯,因而導(dǎo)致植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離也不明顯,難以用顯微鏡觀察到。細(xì)菌和真菌細(xì)胞也有細(xì)胞壁和原生質(zhì)體,在高滲溶液中也會發(fā)生滲透作用失水進(jìn)而發(fā)生質(zhì)壁分離,同理,由于細(xì)胞失水較慢,質(zhì)壁分離緩慢難以用顯微鏡觀察到。例如,在生產(chǎn)生活實(shí)踐中,人們利用高濃度食鹽溶液進(jìn)行防腐,其原理就是使微生物細(xì)胞通過滲透作用失水發(fā)生質(zhì)壁分離,嚴(yán)重的將致死。
可見,未成熟的植物細(xì)胞、動物細(xì)胞和真菌等生物細(xì)胞在高滲溶液條件下也會滲透失水發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象,只是失水速率較慢,難以用顯微鏡觀察到。
6.成熟植物細(xì)胞通過滲透作用吸水,未成熟的植物細(xì)胞通過什么方式吸水呢?
成熟的植物細(xì)胞有大液泡,原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜,當(dāng)植物細(xì)胞置于水勢高于細(xì)胞水勢的溶液時,水會順梯度向細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動直至細(xì)胞內(nèi)外的水勢達(dá)到平衡。成熟植物細(xì)胞通過代謝改變自身溶質(zhì)濃度或改變自身膨壓從而與外界發(fā)生滲透作用吸水。
風(fēng)干種子和未成熟的植物細(xì)胞中沒有大液泡,細(xì)胞原生質(zhì)處于凝膠狀態(tài),大部分水為束縛水,壓力勢為零。這些風(fēng)干種子和未形成液泡的植物細(xì)胞能夠利用構(gòu)成細(xì)胞壁的果膠和纖維素以及細(xì)胞中的蛋白質(zhì)親水膠體對水的吸附力吸收水分。這種利用親水表面進(jìn)行吸水的現(xiàn)象稱為水合或者吸脹作用。
因此,成熟物細(xì)胞通過滲透作用吸水,未成熟的植物細(xì)胞通過吸脹作用吸水。
7.原生質(zhì)層與原生質(zhì)體、原生質(zhì)有何異同?原生質(zhì)層包括細(xì)胞核嗎?
植物細(xì)胞由原生質(zhì)體和細(xì)胞壁兩部分組成。原生質(zhì)體是由細(xì)胞中的生命物質(zhì)即原生質(zhì)所構(gòu)成。在光學(xué)顯微鏡下,原生質(zhì)體可以明顯地區(qū)分為細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)。動物細(xì)胞可以相當(dāng)于原生質(zhì)體。原生質(zhì)層是細(xì)胞膜和液泡膜以及兩層之間的細(xì)胞質(zhì)。故原生質(zhì)體強(qiáng)調(diào)為原生質(zhì)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu),原生質(zhì)為組成生命結(jié)構(gòu)的物質(zhì),原生質(zhì)層是細(xì)胞膜和液泡膜以及兩層之間的細(xì)胞質(zhì)。
細(xì)胞質(zhì)分為細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞器。因此,原生質(zhì)層不包括細(xì)胞核。原生質(zhì)層概念的提出主要是為了描述質(zhì)壁分離的現(xiàn)象,而不同教材對質(zhì)壁分離實(shí)質(zhì)描述不同,例如高等教育出版社李合生老師主編的《現(xiàn)代植物生理學(xué)》將質(zhì)壁分離描述為原生質(zhì)體與細(xì)胞壁分離。故建議教師在教學(xué)過程中對原生質(zhì)層描述主要參考所使用的高中教材。
8.哪些植物組織細(xì)胞適用于“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn),為什么?
紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞、莧菜細(xì)胞、黑藻細(xì)胞、黃藻細(xì)胞、水綿細(xì)胞等植物細(xì)胞都可以用于探究“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)。
用于探究“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞,首先應(yīng)該是具備大液泡,即具有細(xì)胞壁的活的成熟植物細(xì)胞。其次液泡內(nèi)液體有明顯易于區(qū)分的顏色,比如紫色洋蔥外表皮,或者在細(xì)胞質(zhì)中有指示性的結(jié)構(gòu),比如黑藻在細(xì)胞質(zhì)中具有豐富的綠色葉綠體,可以指示液泡和細(xì)胞的大小變化。除常用的高等植物細(xì)胞外,還可以嘗試一些細(xì)胞較大的低等植物細(xì)胞,例如黃藻門黃絲藻科黃絲藻屬的黃絲藻與綠藻門的水綿,這些細(xì)胞屬于真核生物,都具有細(xì)胞壁、葉綠體和液泡,且細(xì)胞體積大,適宜濃度蔗糖浸泡下,容易快速觀察到質(zhì)壁分離和復(fù)原的現(xiàn)象。在選擇用于探究植物細(xì)胞的吸水和失水的實(shí)驗(yàn)材料時,需要尋找生活中容易獲取,具有液泡的植物細(xì)胞,并通過做預(yù)實(shí)驗(yàn)確定好質(zhì)壁分離與復(fù)原的適宜蔗糖濃度或者其他溶液濃度。
9.植物細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離且自動復(fù)原需要具備哪些條件?
要使植物能夠發(fā)生質(zhì)壁分離并自動復(fù)原,首先需要植物細(xì)胞具備大液泡,其次外界溶液濃度大于細(xì)胞液濃度。將植物細(xì)胞浸泡在外界溶液后,需要在合適時間內(nèi),外界溶液的溶質(zhì)可以通過被動運(yùn)輸或主動吸收的方式進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),增加細(xì)胞液濃度,使細(xì)胞液的濃度大于外界溶液的濃度,通過細(xì)胞吸水進(jìn)而發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原,比如外界溶液為一定濃度的甘油、乙二醇、尿素、KNO3等溶液。
10.只有植物細(xì)胞才能發(fā)生質(zhì)壁分離嗎?
質(zhì)壁分離中的“質(zhì)”是指原生質(zhì)層,“壁”指的是細(xì)胞壁。當(dāng)外界溶液濃度高于細(xì)胞液濃度時,由于滲透作用使原生質(zhì)體失水,且植物細(xì)胞細(xì)胞壁的伸縮性比原生質(zhì)層的伸縮性小得多,所以隨著細(xì)胞失水過多就會使原生質(zhì)層與細(xì)胞壁發(fā)生分離,出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象。一些微生物如細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌、放線菌、真菌等其細(xì)胞結(jié)構(gòu)中也具有細(xì)胞壁。因此這些微生物處于相對高滲溶液中也會發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象。這些微生物吸水或失水的方式也是通過滲透作用進(jìn)行的,例如鹽腌的肉魚不易變質(zhì),便是由于表面的細(xì)菌等微生物失水過多發(fā)生質(zhì)壁分離而死亡。
11.植物細(xì)胞質(zhì)壁分離自動復(fù)原后的細(xì)胞液濃度與實(shí)驗(yàn)前細(xì)胞液的濃度相同嗎?
原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜,當(dāng)植物細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原時細(xì)胞液中的溶質(zhì)分子一般不向外界溶液擴(kuò)散或擴(kuò)散比較慢,但是隨著外界溶液的溶質(zhì)分子通過主動運(yùn)輸或被動運(yùn)輸不斷進(jìn)入細(xì)胞,細(xì)胞液中的溶質(zhì)濃度不斷增大,導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離后自動復(fù)原。細(xì)胞壁的伸縮性很小,在發(fā)生植物細(xì)胞質(zhì)壁分離與復(fù)原時細(xì)胞體積變化很小,可以忽略,但此時質(zhì)壁分離自動復(fù)原后細(xì)胞液中溶質(zhì)分子數(shù)目增多。因此,質(zhì)壁分離自動復(fù)原后細(xì)胞液的濃度比實(shí)驗(yàn)前細(xì)胞液的濃度大。

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