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2023高中生物备考-“气孔与细胞代谢”解析
　 植物气孔是植物形态学上的重要特征，是植物表皮所特有的结构。气孔通常多存在于植物体的地上部分，尤其是在叶表皮上，在幼茎、花瓣上也可见到，但多数沉水植物则没有。气孔是植物与外界进行气体交换的孔道和控制蒸腾的结构。通过它的开闭，调控着植物的气体交换率和水分蒸腾率，对植物的生活起着极为重要的作用。
气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道。通过气孔扩散的气体有O2、CO2和水蒸气。气孔的运动可以影响光合作用、细胞呼吸及蒸腾作用。
保卫细胞
保卫细胞是指植物茎、叶等的表皮上具有叶绦粒而通常作半月形的两个相邻的细胞。保卫细胞间的空隙就是气孔。保卫细胞的膨压随着进行光合作用的强度和所形成的碳水化合物的多少而有增减，也就影响气孔开闭的大小。保卫细胞的构造、形状、数量、排列和位置，随植物种类和生活环境而异。
保卫细胞 形状 半月形的细胞
作用：调节水分蒸腾和气体交换
分布：成对分布在植物叶孔周围
气孔器
气孔器是由两个肾形或哑铃形的保卫细胞(guard cell) 围合而成。叶表皮中有许多气孔器分散在表皮细胞之间。两个保卫细胞之间的裂生胞间隙称为气孔。它们是叶片与外界环境之间气体交换的孔道。有些植物如甘薯等，在保卫细胞之外，还有较整齐的副卫细胞。保卫细胞的细胞壁，在靠近孔的部分增厚，上下方都有棱形突起，而邻接表皮细胞一侧的细胞壁较薄。当光合作用所累积的淀粉转变为简单的糖分时，保卫细胞中细胞液的浓度增加，保卫细胞向周围的表皮细胞吸入水分而膨胀。多数植物种类的上下表皮均有气孔分布，一般下表皮的气孔较上表皮为多。气孔的数目、形状以及气孔轴式为叶类生药的重要鉴别特征。
一、气孔的数量及表示方法
气孔在叶片表面的分布状况和数量的多少与植物种类有关，同时也受环境因素的影响。定量描述气孔的数量，通常用气孔参数，也就是单位叶表面的气孔数量表示。气孔密度和气孔指数是两种常用的气孔参数。气孔密度为单位叶表面积内的气孔个数，通常要换算为每平方毫米内的气孔个数。气孔指数是单位叶表面积内的气孔个数除以气孔个数和表皮细胞个数之和，再乘以100。用公式表示为:气孔指数= 100×气孔个数/(气孔个数+表皮细胞个数)。由气孔密度的计算方法可知:气孔密度的大小与气孔数量和表皮细胞的大小密切相关。比如，同一片叶子，在良好的生长条件下，生长发育较快，在气孔数量几乎不变的情况下，叶片的表皮细胞生长迅速，叶片表面积较大。这种情况下计算出的气孔密度值较小，而实际的气孔数量几乎不变。在上述情况下(即气孔和表皮细胞的数量不变，气孔和表皮细胞体积增大)，出气孔指数的计算方法可以看出，气孔指数的值不变，气孔指数可以部分消除表皮细胞大小带来的影响，显然用气孔指数表示气孔的数量更科学。
二、气孔数量,记录大气兰氧化碳浓度变化
工业化革命以来，大气中二氧化碳浓度的变化，以及由此引起的温室效应，受到人们的普遍关注。环境和气候一旦发 生变化，生活在其中的植物就会做出相应的改变，如种群数量和分布区的变化，以及个体形态结构和生理功能的变化等。反过来讲,植物的这些变化特征,也能反映出周围环境和’(候的变化。换句话说，大气中二氧化碳浓度的改变可以直接影响到生活在其中的植物。实验证实，气孔参数的改变是植物对大气二氧化碳浓度变化的主要反应之一，因而利用气孔的数量变化可以推测出大气中二氧化碳浓度的变化。
短期内大气中二氧化碳浓度的变化，只能影响气孔的开闭，只有二氧化碳浓度的变化持续几个生长季节，才能改变植物的气孔参数。开展长时间尺度上二氧化碳浓度与气孔参数相关性探索始于1987年伍德沃德的工作。伍德沃德研究了230多年前采集的8种温带树种的标本、分析其气孔参数，并与现在采集的材料进行比较。结果发现，二氧化碳浓度从当时的280微摩尔/摩尔增加到目前浓度的过程中，这些树种的气孔参数大约减少了40%。
三.保卫细胞的结构与功能
保卫细胞有两种类型：
一类存在于大多数植物中，呈肾形；另一类存在于禾本科与莎草科等单子叶植物中，呈哑铃形。与其他表皮细胞不同，保卫细胞中有叶绿体和磷酸化酶。保卫细胞与叶肉细胞也不同，前者叶绿体较小，数目较少，片层结构发育不良，且无基粒存在，但能进行光合作用。保卫细胞内、外壁厚度不同，内壁厚，外壁薄，当液泡内溶质增多，细胞渗透压上升，吸收邻近细胞的水分而膨胀，这时较薄的外壁易于伸长，细胞向外弯曲，气孔就张开。反之，当溶质减少，保卫细胞渗透压下降而失水缩小，内壁伸长互相靠拢，导致气孔关闭。
禾本科和莎草科等植物气孔的保卫细胞呈哑铃形，其外侧还各具一个副卫细胞，与保卫细胞共同组成气孔器。
狭义上常把保卫细胞之间形成的凸透镜状的小孔称为气孔（如图）。有时与保卫细胞相邻的还有2～4个副卫细胞，把这些细胞包括在内是广义的气孔（或气孔器）。
气孔在碳同化、呼吸、蒸腾作用等气体代谢中，成为空气和水蒸气的通路。
四.气孔的结构及分布
气孔一般由两个保卫细胞围成。保卫细胞通常呈肾形或哑铃形。肾形的保卫细胞中位于气孔内侧的细胞壁较薄，坚韧而有弹性；外侧的细胞壁较厚，可胀缩（图 A，双子叶植物）；哑铃形的保卫细胞其两端壁薄，中间壁厚（图B，禾本科植物）。
有些植物，在保卫细胞的四周还有一或多个副卫细胞。副卫细胞常常有一定的排列方式，在植物叶表皮的气孔下方，常有较大的空隙，叫孔下室。孔下室与叶肉组织的细胞间隙相通连，构成叶片内部的通气系统和水分蒸散系统。因此，气孔的开闭能控制植物的气体交换和水分蒸散。组成气孔的保卫细胞含有叶绿体．
五.气孔的开闭
气孔的开闭与保卫细胞细胞壁的厚薄均匀程度密切相关。气孔开闭的动力则来自保卫细胞膨压的变化，当保卫细胞内的水分增加时，细胞膨压增大，肾形的保卫细胞位于孔口边的胞壁厚，保卫细胞膨胀时向孔口边弯曲，引起气孔张开。哑铃型的保卫细胞两端球型部分胞壁薄，中部胞壁坚厚。当细胞膨压提高、体积增大时，其两端向外膨胀，两个保卫细胞向对方挤压，迫使位于中部的气孔张开。而当膨压明显减小时，则正好相反，气孔趋向关闭。
六.气孔数目与植物类型
对不同植物来说，气孔在单位面积中的数目多少及叶片不同部位的分布特点不同。有的植物的上、下表皮均有气孔，如小麦、玉米、向日葵等；有些植物的气孔只分布在上表皮，如浮水植物睡莲、浮萍等；有些植物的气孔则仅分布于下表皮，如榕树、百合等；沉水植物如眼子菜、金鱼藻等，叶片上一般不具有气孔。气孔的分布依植物的种类而异，气孔数目较多的植物，气体交换及蒸腾作用均较快。生长于较为干旱地区的植物，如夹竹桃等，气孔分布于下表皮，且深陷于叶肉中，其气体交换及蒸腾作用都比较慢，可适应干旱缺水的环境。
七.气孔运动与各种学说
关于气孔的运动，目前主要存在这样几种学说：
（1）淀粉-糖转化学说
该学说认为，植物在光下，保卫细胞的叶绿体进行光合作用，导致CO2浓度的下降，引起pH升高（约由5变为7），淀粉磷酸化酶促使淀粉转化为葡萄糖-1-P，细胞里葡萄糖浓度高，渗透压上升，副卫细胞（或周围表皮细胞）的水分通过渗透作用进入保卫细胞，气孔开放。黑暗时，光合作用停止，由于呼吸积累CO2和H2CO3，使pH降低，淀粉磷酸化酶促使糖转化为淀粉，保卫细胞里葡萄糖浓度低，渗透压下降，水分从保卫细胞排出，气孔关闭。
（2）无机离子吸收学说
该学说认为，保卫细胞的渗透压是由K+浓度调节的。光合作用产生的ATP，供给保卫细胞钾-氢离子交换泵，使K+进入保卫细胞，于是保卫细胞渗透压上升，细胞吸水，气孔张开。
（3）苹果酸生成学说
该学说认为，在光下，保卫细胞进行光合作用，由淀粉转化的葡萄糖通过糖酵解作用，转化为磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），同时保卫细胞的CO2浓度减少，pH上升，剩下的CO2大部分转变成碳酸氢盐（HCO3—），在PEP羧化酶作用下，HCO3—与PEP结合，形成草酰乙酸，再还原为苹果酸。苹果酸会产生H+，ATP使钾-氢离子交换泵开动，质子进入副卫细胞或表皮细胞，而K+进入保卫细胞，于是保卫细胞渗透压上升，细胞吸水，气孔张开。
专项训练
1.组成气孔的细胞是( )
A.表皮细胞 B.保卫细胞 C.叶肉细胞 D.叶脉细胞
2.形成一个气孔的保卫细胞的数目一般为（ ）
A.5个 B.4个 C.3个 D.2个
3.绿色植物在白天光合作用旺盛时，多数气孔开放着，随着光合作用的减弱，越来越多的气孔逐渐关闭。影响气孔开闭的主要内因是保卫细胞内部的( )。
A．氧气的浓度 B．淀粉的浓度 C．水解酶的多少 D．酸碱度（PH)
4. 关于植物叶片的气孔，下列叙述不正确的是( )
A.气孔是植物与外界进行气体交换的“门户”，植物吸收的水分绝大部分以气体的状态通过气孔散失
B.气孔由一对呈半月形的保卫细胞构成
C.保卫细胞吸水呈关闭状态时，会影响植物的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用
D.构成气孔的保卫细胞中有叶绿体，可以进行光合作用
5. 以下对于气孔的描述，不正确的是( )
A.气孔有两个半月形保卫细胞围成，为细胞通过吸水和失水控制气孔的开闭
B.气孔是气体(主要是氧气和二氧化碳)进出细胞的门户
C.气孔是植物体内水分蒸腾作用散失到外界环境的通道
D.环境中水分都是通过气孔被吸收进入植物体的
6. 如图是气孔张开和闭合示意图，下列有关叙述错误的是( )
A.气孔是气体交换的“门户”，水分以气体形式通过气孔
B.夜幕降临时，叶片大多数气孔呈①状态，蒸腾作用随之减弱
C.光合作用，呼吸作用，蒸腾作用均受气孔开闭的影响
D.气孔是由一对半月形的保卫细胞围成的空腔
7.烟叶的（ ）对于蒸腾作用的调节和光合作用的进行，具有很大的影响。
A.气孔器 B.气孔 C.半月细胞 D.以上都对
8.植物的气孔是由两个含有叶绿体的保卫细胞围绕成的，保卫细胞吸水后会开放，反之关闭。保卫细胞内的淀粉磷酸化酶在酸性条件下，主要催化葡萄糖转化成淀粉，而在碱性条件下，主要催化淀粉转化成葡萄糖。光照、高K+环境均可促进气孔开放。下列说法错误的是（ ）
A.黑暗条件下，呼吸作用使气孔更易开放
B.淀粉水解为葡萄糖有利于提高渗透压，使保卫细胞吸水
C.光照增强可促进细胞内CO2浓度下降，pH上升，利于淀粉的水解
D.高K+环境促进气孔的开放，可能是细胞对K+主动运输的结果
9. 禾本科植物的气孔器具有下列哪些特点？（ ）
A.保卫细胞肾形 B.气孔器有两个保卫细胞和两个副卫细胞
C.保卫细胞哑铃型 D.气孔器只有两个保卫细胞，没有副卫细胞
10.观察植物的气孔，下列说法不正确的是( )
A.一般植物叶上表皮气孔数多于下表皮
B.有些植物叶下表皮只有少量或没有气孔
C.气孔类型较多，不同的植物气孔形态可能不同
D.保卫细胞含叶绿体
11.下列是小白同学的笔记，选出你认为错误的描述( )
A.气孔只分布于叶片的下表皮
B.气孔的开闭与保卫细胞的得失水分相关
C.气孔在晴朗的夏天的中午会因外界环境的温度过高而关闭
D.气孔是两个保卫细胞所围成的空腔
12.如图是保卫细胞控制气孔张开和关闭的原理示意图，当细胞吸水膨胀时，气孔张开。下列相关叙述错误的是( )
A.水分子通过被动运输的方式进出保卫细胞
B.干旱条件下保卫细胞失水会导致气孔关闭
C.气孔的开闭与保卫细胞内K+等物质浓度有关
D.保卫细胞的吸水能力随气孔张开过程逐渐增强
13.气孔是由一对半月形的 围成的空腔，是植物 的“门户”,也是 的“窗口”。
14.组成气孔的保卫细胞通过调节细胞的 和 来控制气孔的开合：保卫细胞吸水膨胀时，气孔 ；当保卫细胞渗透压减小，小于细胞外液时，保卫细胞失水收缩时，气孔 或 。
15.植物叶片表皮上分布有大量的气孔。保卫细胞吸水后，会膨胀变形，气孔开启；反之细胞失水收缩，气孔关闭。请以放置一小段时间的菠菜为材料设计一个实验，证明气孔具有开启和关闭的功能。要求写出实验材料与主要用具、实验步骤、预测实验结果并作出解释。
16.某植物在停止供水和恢复供水条件下，气孔开度(即气孔开放程度)与光台速率的变化如图所示.请回答:
（1）停止供水后，光合速率下降。这是由于水是 的原料，又是光合产物在植物体内 的主要介质。
（2）在温度、光照相同的条件下，图中A点与B点相比，光饱和点低的是 点，其主要原因是 。
（3）停止供水一段时间后，叶片发黄，原因是 。此时类囊体结构破坏，提供给暗反应的 减少。
（4）生产实践中，可适时喷施植物激素中的 ，起到调节气孔开度的作用。
[答案]
1.B. 2.D.
3.D. [分析] 气孔是由一对半月形的保卫细胞围成的空腔。是植物蒸腾失水的"门户”，也是气体交换的”窗口”。
气孔的张开和闭合主要是由保卫细胞来调节:保卫细胞吸水时，细胞膨胀，细胞厚度增加，两细胞分离，气孔张开；保卫细胞失水时，细胞收缩，细胞厚度减小，两细胞并合，气孔闭合。
[解答]解:当外界气温高的时候，叶子就会失去水分，导致离子浓度提高，使得保卫细胞内的水分向外流动，保卫细胞失去水分，保卫细胞闭合。而当外界气温低的时候，叶子内的K+就会进入保卫细胞内，使得保卫细胞内的浓度增加，细胞吸水膨胀，保卫细胞就会打开气孔。PH升高，气孔张开； PH降低，气孔关闭。因此，影响气孔开闭的主要内因是保卫细胞内部的酸碱度（PH)。故选: D.
4.C. 5.D. 6.B.
7.D. 8.A. 9.C. 10.A. 11.A.
12. D
[分析]据图分析:水分子以自由扩散的方式运出保卫细胞，同时钾离子和其他阴离子进入保卫细胞使保卫细胞渗透压升高，吸水能力增强，细胞膨胀，气孔张开。
[解答]解: A、水分通过被动运输(自由扩散)的方式进出保卫细胞，A正确；B、干旱条件时，保卫细胞失水而关闭气孔，导致CO2吸收减少，进而导致暗反应强度减弱，B正确；C、气孔的开闭与保卫细胞内K+等介质浓度有关，当细胞内钾离子等介质浓度增大时，细胞吸水膨胀时，气孔张开;当细胞内钾离子等介质浓度减少时，细胞失水，气孔正确，C错误；D、当细胞吸水膨胀时，细胞液浓度减少，吸水能力减弱，气孔张开，D错误。故选: D.
13.保卫细胞 蒸腾作用 气体交换
14.渗透压 吸水失水 打开 缩小 关闭
15.解析：本题以气孔的结构和开闭原理为素材，考查细胞渗透吸水的实验原理和相关技能。解题关键之一是认真阅读试题，弄清实验目的和性质，二是正确判断气孔开启、关闭与外界溶液之间的关系，三是要熟悉和掌握临时装片的制片过程及显微镜的正确操作步骤。
答案：实验材料与主要用具：菠菜、清水、浓盐水、载玻片、盖玻片、显微镜、吸水纸、滴管、镊子等。实验步骤：①取菠菜叶，用镊子剥取表皮。②在载玻片上滴一滴清水，将表皮放入清水中，盖上盖玻片，制成临时装片。③将临时装片放在显微镜的载物台上，先在低倍镜下找到气孔，移动到视野中央，再换高倍镜进行观察，记录观察到的气孔状况。④在盖玻片的一侧滴上浓盐水，在另一侧用吸水纸吸取盖玻片下的液体，反复做几次。⑤继续观察气孔的变化，并做记录。预测实验结果并作出解释：在清水中气孔应开启，因为当细胞液浓度大于细胞外溶液浓度时，保卫细胞吸水膨胀变形，气孔开启。在浓盐水中气孔应关闭，因为当细胞液浓度小于细胞外溶液浓度时，保卫细胞失水收缩，气孔关闭。
16.解析：本题以图像的形式考查光合作用的过程及其影响因素，旨在考查学生的信息获取能力及分析推理能力。
（1）水是光合作用光反应的原料。同时，物质在植物体内的运输离不开水。
（2）观察图知，B点气孔开度降低，植物CO2吸收减少，所以B点在较低光照强度下即达到饱和。
（3）叶绿素的颜色是绿色，类胡萝卜素的颜色是黄色。叶片发黄说明叶绿素含量减少，类胡萝卜素占据优势。叶绿素含量减少可能是缺水导致体内相关代谢减慢所致。类囊体是光反应的场所，光反应可以为暗反应提供[H]和ATP。
（4）植物激素中的脱落酸可以使气孔关闭。

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