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第6章 细胞的生命历程
第2节 细胞的分化
　【素养导引】
1.生命观念:运用结构与功能的观念,阐明个体发育是通过细胞分化实现的。
2.科学思维:采用假说与推理的方法,说明细胞分化的实质。
3.科学探究:体验胡萝卜组织培养的过程,理解植物细胞的全能性。
4.社会责任:关注干细胞的特点和应用,认同科学技术推动社会进步。
一、细胞分化及其意义
1.概念:
(1)发生时期:个体发育过程中。
(2)起点:一个或一种细胞增殖产生的后代。
(3)细胞变化:形态、结构和生理功能发生稳定性差异。
2.过程:
3.实质:基因选择性表达的结果,即在个体发育过程中,不同种类的细胞中遗传信息的表达情况不同。
4.特点:普遍性、持久性、稳定性。
5.意义:
(1)细胞分化是个体发育的基础。
(2)细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化,有利于提高各种生理功能的效率。
[思考]　细胞分化的过程中遗传物质会发生变化吗
提示:不会,细胞分化过程只是不同细胞遗传信息的表达情况不同,细胞内的遗传物质没有发生改变。
二、细胞的全能性
1.概念:
(1)前提:已经分裂、分化的细胞。
(2)潜能和特性:产生完整有机体或分化成其他各种细胞。
2.细胞具有全能性的原因:细胞内含有本物种全套的遗传信息。
3.干细胞:
(1)概念:动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞。
(2)举例:骨髓造血干细胞、脐带血干细胞。
[思考]　种子萌发长成新植株能体现细胞的全能性吗
提示:不能,种子萌发的过程只是个体的生长发育过程。
【走进生活】
细胞分化是生物个体发育的基础,使多细胞生物体中的细胞趋向专门化。结合所学知识判断:
1.蓝细菌也存在细胞分化的过程。(×)
分析:蓝细菌为单细胞生物,细胞不分化。
2.通常体内已分化的细胞将一直保持分化后的状态,直至衰老死亡。(√)
学习任务一:细胞分化
1.三个水平分析细胞分化:
细胞水平 细胞的形态、结构和生理功能发生改变
亚显微结构水平 细胞器的数目及细胞质基质成分发生改变
分子水平 蛋白质角度 蛋白质种类、数量、功能发生改变
基因角度 基因选择性表达,即遗传信息的表达情况不同,这是细胞分化的根本原因
2.细胞分裂与细胞分化的比较:
项目 细胞分裂 细胞分化
细胞变化 细胞数量增多 细胞形态、结构和生理功能发生稳定性差异,细胞种类增多
发生时间 从受精卵开始 发生在生物体的整个生命过程中
意义 保持了亲子代遗传性状的稳定性 保证了生物体正常发育
联系 细胞分裂是细胞分化的基础,两者往往是相伴相随的,一般而言,分化程度越高,分裂能力则逐渐降低
[思考探究]　同一个体内肌肉细胞、骨骼细胞、神经细胞和肝细胞内的遗传物质相同吗 为什么
提示:一般相同。同一个体的不同细胞来源于同一个受精卵的有丝分裂,有丝分裂保证了亲子代细胞遗传物质的稳定性。
【拓展归纳】
管家基因和奢侈基因
(1)管家基因:所有细胞均表达的一类基因,如呼吸酶基因、ATP水解酶基因。
(2)奢侈基因:不同类型的细胞特定表达的一类基因,其产物赋予不同细胞特定的生理功能,如血红蛋白基因、胰岛素基因等。
【典题例析】
研究人员发现人视网膜色素上皮组织也存在神经干细胞,对此种干细胞进行培养后能得到多种细胞(如图所示)。下列叙述正确的是(　　)
A.图中所示过程中不发生DNA分子的复制
B.图中各种细胞的蛋白质完全不同
C.各种细胞功能的不同决定了其具有不同的结构
D.分化后的细胞中某些细胞器的数量会存差异
[解题思维]
提取关键点 干细胞进行培养后能得到多种细胞
转化知识点 细胞分裂、细胞分化的原因
排除障碍点 DNA复制只发生在细胞分裂前的间期,细胞分化的过程不发生DNA复制
【解析】选D。图中细胞分化之前发生了细胞分裂,而细胞分裂过程中有DNA的复制,A错误;细胞分化是基因选择性表达的结果,但是不同的细胞中也有相同的基因表达,因此图中各种细胞的蛋白质不完全相同,而不是完全不同,B错误;结构决定功能,图中各种细胞功能是由其结构决定的,C错误;分化后的细胞中某些细胞器的数量会有差异,如耗能多的细胞中线粒体多些,D正确。
[借题发挥]　图中神经元、色素上皮组织细胞等细胞的形态结构各不相同的直接原因是什么 根本原因是什么
提示:直接原因是蛋白质的种类不完全相同;根本原因是基因的选择性表达。
【即学即练】
1.(2022·盐城高一检测)同一叶片上有叶肉细胞、表皮细胞和储藏细胞等,这些细胞在形态、结构和生理功能上存在差异,是因为(　　)
A.细胞发生了增殖 B.遗传物质发生改变
C.细胞具有全能性 D.不同细胞中基因选择性表达
【解析】选D。同一叶片上叶肉细胞、表皮细胞和储藏细胞等不同细胞含有相同的遗传物质,由于不同细胞中基因的选择性表达,这些细胞在形态、结构和生理功能上出现差异,A、B、C错误,D正确。
2.下列关于细胞分化的叙述,错误的是(　　)
A.细胞分化的实质是基因的选择性表达
B.细胞分化过程中蛋白质种类和数量会发生改变
C.细胞分化导致细胞中遗传物质改变
D.细胞分化是多细胞生物体发育的基础
【解析】选C。由于不同细胞中基因选择性表达情况不完全相同,所以会得到不同的产物蛋白质,细胞出现了不同的结构和功能,这就是细胞分化的实质,A正确;所以细胞内蛋白质种类和数量会改变,B正确;细胞分化的实质是基因的选择性表达,该过程遗传物质并未改变,C错误;从个体水平分析,细胞分化是多细胞生物体生长发育的基础,D正确。
【方法规律】判断细胞发生分化的技巧
(1)细胞形态的改变:如肌细胞的梭形、红细胞的圆饼状、神经细胞的突起状等。
(2)细胞结构的变化:形成不同种类的细胞(尤其是细胞器种类和数量有较大差异)。
(3)细胞功能的特化:运动功能、运输功能、储存功能、反射功能、免疫功能等。
学习任务二:细胞的全能性
1.植物细胞的全能性:
植物组织培养:
(1)过程:胡萝卜韧皮部细胞→放入特定培养液中→形成细胞团块根、茎和叶→新的植株。
(2)结论:高度分化的植物细胞具有全能性。
2.动物细胞细胞核的全能性:
(1)实例:非洲爪蟾的核移植实验、克隆羊“多莉”、体细胞克隆猴“中中”和“华华”。
(2)结论:已分化的动物体细胞的细胞核是具有全能性的。
3.细胞具有全能性的原因及条件:
(1)物质基础:细胞中有发育成生物体所需的全套遗传信息。
(2)植物细胞全能性表达的条件:
①离体状态。
②适宜的水分、无机盐、营养物质、激素和温度等条件。
4.细胞分化与细胞全能性的比较:
项目 细胞分化 细胞全能性
原理 细胞内基因的选择性表达 含有本物种全套遗传物质
结果 形成形态、结构、生理功能不同的细胞 形成新的个体或分化成其他各种细胞
大小比较 细胞分化程度有高低之分:体细胞>生殖细胞>受精卵 细胞全能性有大小之分:受精卵>生殖细胞>体细胞(植物细胞>动物细胞)
关系 ①细胞分化不会导致遗传物质改变,已分化的细胞仍具有全能性②一般来说,细胞分化程度越高,全能性越难以实现;细胞分化程度越低,全能性就越容易实现
【拓展归纳】
细胞“具有”全能性和“体现”全能性的辨析
(1)理论上活细胞都具有全能性。
(2)只有细胞经分裂和分化后,仍能发育为完整有机体或分化成其他各种细胞,才能“体现”或“表现”细胞的全能性。
(3)克隆动物只能“体现”动物体细胞核的全能性。
【学习加点料】
思维易错:壁虎断尾后长出新尾巴的过程是细胞的全能性的体现吗
提示:不是,该过程不是由一个细胞经分裂、分化产生的,也不是产生各类细胞的过程,没有体现细胞的全能性。
【典题例析】
绵羊的乳腺细胞是高度分化的细胞,但用乳腺细胞的细胞核与卵细胞的细胞质融合成一个细胞①后,这个细胞核仍然保持着全能性②,这主要是因为(　　)
A.细胞核内含有本物种生长发育所需要的全套遗传物质
B.卵细胞的细胞质内含有物种发育所需要的全套遗传信息
C.卵细胞的细胞质为细胞核提供营养物质
D.细胞核与细胞质是相互依存的关系
[解题思维]
提取关键点 ①乳腺细胞的细胞核与卵细胞的细胞质融合成一个细胞②细胞核仍然保持着全能性
转化知识点 动物细胞核具有全能性的原因
排除障碍点 核质相互依存的关系,细胞质为细胞核提供营养物质,但不是细胞核保持全能性的原因
【解析】选A。动物细胞的细胞核保持着全能性的原因是其中含有本物种生长发育所需要的全套遗传物质,A正确,B错误;细胞质为细胞核提供营养与细胞核保持全能性无关,C错误;细胞核与细胞质相互依存的关系也不是细胞核具有全能性的原因,D错误。
【即学即练】
1.(2022·连云港高一检测)下列事实中,能说明细胞具有全能性的是(　　)
A.受精卵发育成个体
B.利用乳腺细胞和去核的卵母细胞培育克隆羊“多莉”
C.蝌蚪发育成蛙
D.将烧伤者皮肤培养后移植
【解析】选A。受精卵发育成完整个体体现了细胞具有全能性,A正确;将乳腺细胞核移植到去核卵母细胞中培育而成的克隆羊“多莉”,证明动物细胞核具有全能性,B错误;蝌蚪发育成蛙是生物的生长发育过程,不能说明细胞具有全能性,C错误;将烧伤者皮肤培养后移植,该过程中没有形成完整个体或分化形成其他各种细胞,不能说明细胞具有全能性,D错误。
2.不同细胞的全能性高低不同,下列有关细胞全能性大小的比较,正确的是(　　)
A.细胞分裂能力越弱,细胞全能性越高
B.分化程度越高,全能性越高
C.动物细胞的全能性高于植物细胞
D.衰老细胞的全能性低于幼嫩细胞
【解析】选D。一般而言,细胞的分裂能力越弱,分化程度越高,细胞的全能性越低,A、B错误;植物细胞的全能性高于动物细胞,C错误;衰老细胞的全能性低于幼嫩细胞,D正确。
【补偿训练】
下列人体细胞中全能性最高的是(　　)
A.胚胎干细胞　　　　 B.神经细胞
C.胰腺细胞 D.肌肉细胞
【解析】选A。细胞全能性大小的比较:受精卵>全能干细胞(胚胎干细胞)>多能干细胞(如造血干细胞)>专能干细胞(如生发层细胞)>生殖细胞(卵细胞、精子)>体细胞,故选A。
人造血与健康
　　据美国《大众科学》网站报道:人造血可能会变成一个常见的事实,因为法国科学家首次成功地将实验室中用造血干细胞培育出的人造血输入了人体内,而且其表现与正常的血液一样。
如图是造血干细胞的应用,据图回答下列问题。
探究:
(1)造血干细胞是人体内保留的少数具有____________________能力的细胞,造血干细胞分化成其他细胞是__________________的结果。
(2)在浆细胞中________(填“有”或“无”)血红蛋白基因;巨噬细胞的吞噬作用说明细胞膜具有____________________________________________________。
(3)将已分化体细胞的细胞核移植到去核的卵细胞中,可以发育成新的个体,说明已分化的体细胞______________________________________。
【解析】(1)干细胞是人体内保留的少数具有分裂和分化能力的细胞;细胞分化的实质是基因的选择性表达。
(2)在浆细胞中有血红蛋白基因,但该基因不表达;巨噬细胞的吞噬作用说明细胞膜具有(一定的)流动性。
(3)将已分化体细胞的细胞核移植到去核的卵细胞中,可以发育成新的个体,说明已分化的体细胞的细胞核具有全能性。
答案:(1)分裂和分化　基因选择性表达(遗传信息的表达情况不同)
(2)有　(一定的)流动性 (3)细胞核具有全能性
【关键能力·素养发展】
情境载体 情境类型为生活、学习和实践情境,突出与生活的联系
关键能力↓图文转化 ①造血干细胞培育出人造血
②造血干细胞可以分化成红细胞、巨噬细胞、巨核细胞等各种细胞
学科素养 培养生命观念中的结构与功能观、科学思维中的分析与比较等素养
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