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4.1 课时1 水进出细胞的原理
通过探究“植物细胞的吸水和失水”，说出水分子进出植物细胞的原理，阐释原生质层的选择透过性与质壁分离及其复原的关系。
在一个长颈漏斗的漏斗口外密封上一层玻璃纸，往漏斗内注入蔗糖溶液，然后将漏斗浸入盛有清水的烧杯中，使漏斗管内外的液面高度相等。过一段时间后，会出现如右图所示现象。玻璃纸（又叫赛璐纷）是一种半透膜，水分子可以自由透过它，而蔗糖分子则不能。
讨论：
1.漏斗管内的液面为什么会升高？如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？
2.如果用一层纱布代替玻璃纸，还会出现原来的现象吗？
3.如果烧杯中不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？
问题探讨
一段时间后
蔗糖分子
水分子
半透膜：是具有一定孔径，可以让小分子物质通过（如水分子），而大分子物质不能通过的一类薄膜。物质能否通过只与孔径大小有关。这种膜可以是生物膜，也可以物理性膜。
玻璃纸，肠系膜
蛋壳膜，鱼鳔等
讨论1：漏斗管内液面为什么会升高？
外观表现：漏斗液面上升，一段时间后，达到渗透平衡，水通过半透膜进入漏斗中。
渗透装置详细分析
讨论1：漏斗管内液面为什么会升高？
蔗糖溶液
清水
半透膜
Δh
蔗糖溶液
清水
半透膜
浓度：
蔗糖＞清水
单位体积水分子数：
蔗糖<清水
单位时间内由清水 → 蔗糖溶液的水分子数多于蔗糖溶液→ 清水。
漏斗液面上升
渗透装置详细分析
讨论1：漏斗管内液面为什么会升高？
由于单位时间内透过半透膜进入长颈漏斗的水分子数量多于从长颈漏斗渗出的水分子数量，使得管内液面升高。
内部表现：事实上半透膜两侧的水分子都能够通过扩散作用自由进出。水分子的移动是双向的。
渗透装置详细分析
清水
半透膜
蔗糖溶液
多
清水
半透膜
蔗糖溶液
少
讨论2:达到动态平衡，水分子还会运动吗？
达到渗透动态平衡的时候，只意味着半透膜两侧水分子达到动态平衡，不可以看作没有水分子的移动，也不能看做两侧的溶度绝对相等、
渗透装置详细分析
讨论3:如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？
如果漏斗管足够长，当管内的液面上升到一定高度之后，实际上，管内液面上升到一定高度之后，管中水柱产生的压力将加速将漏斗中的水分“压出”，水分进入漏斗（因为浓度差）的速率和水分流出（因为管中水柱的压力）的速率相等时，液面将不再上升。
渗透装置详细分析
Δh
蔗糖溶液
清水
半透膜
讨论4：若用纱布代替玻璃纸，漏斗的液面还会升高吗？
不会，因为纱布不是半透膜，孔隙很大，可溶于水的物质都可能自由通过，包括水分子和蔗糖分子都能通过。
渗透装置详细分析
①渗透作用的概念
扩散：分子从高浓度一侧向低浓度一侧运动的现象。
渗透作用：水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散。
图1 扩 散
图2 渗 透
半透膜
1、渗透作用
①渗透作用的概念
水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散，称为渗透作用。
蔗糖溶液
水溶液
半透膜
S1溶液
S2溶液
半透膜
两种常见的渗透装置
②渗透作用的条件
I. 具有半透膜；Ⅱ.膜两侧溶液具有浓度差。
浓度差：指的是物质的量浓度，而非质量浓度。
一段时间后
③渗透作用的方向
水分子从水的相对含量高的一侧向相对含量低的一侧渗透。
两溶液间的水分子进行双向运动，我们只是观测出由水分子双向运动的差所导致的液面改变。
一段时间后
单位时间内分子数多
单位时间内分子数少
低浓度溶液
渗透方向：
高浓度溶液
水分子多
水分子少
④渗透平衡
液面高度不发生变化，水分子双向运动速率相等，即动态平衡。
S1溶液
S2溶液
△H
S1溶液
S2溶液
半透膜
△H
（1）概念：水分子（或其他溶剂分子）透过半透膜从低浓度溶液向高浓度溶液的扩散，称为渗透作用。
总结 渗透作用
（2）条件：
①具有半透膜；
②半透膜两侧溶液具有浓度差。
（3）渗透的方向：
（以水分子为例）
含水量高 ——> 含水量低
溶液浓度低 ——> 溶液浓度高
渗透压低 ——> 渗透压高
（4）渗透平衡：水分子在半透膜两侧的进出速率相等
生物细胞也能发生渗透作用吗？
生物细胞结构也具备以下两个条件吗？
1、具有半透膜。
2、半透膜两侧具有浓度差。
2、水分进入动物细胞
外界溶液浓度< 细胞质浓度
红细胞吸水膨胀
外界溶液浓度=细胞质浓度
红细胞形态不变
外界溶液浓度>细胞质浓度
红细胞失水皱缩
低渗溶液中
吸水膨胀
等渗溶液中
形态不变
高渗溶液中
失水皱缩
高浓度溶液
生理盐水
蒸馏水
吸水膨胀
失水皱缩
保持原态
外界浓度
细胞质浓度
<
外界浓度
细胞质浓度
>
外界浓度
细胞质浓度
=
与渗透装置比较：
②外界溶液与细胞质之间的浓度差。
①动物细胞的细胞膜相当于一层半透膜；
为什么以哺乳动物的成熟红细胞为实验材料？
①哺乳动物的成熟红细胞，没有细胞核及细胞器，避免细胞核及各种具膜的细胞器对细胞吸水、失水的影响；
②哺乳动物的红细胞具有运输氧气的功能，其内部有大量的血红蛋白。
1、红细胞内的血红蛋白等有机物能够透过细胞膜吗？这些有机物相当于“问题探讨”所示装置中的什么物质？
2、红细胞的细胞膜是否相当于一层半透膜？
3、当外界溶液溶质的浓度低时，红细胞一定会由于吸水而涨破吗？
4、红细胞吸水或失水取决于什么条件？
5、想一想临床上输液为什么要用生理盐水。
【思考·讨论】
红细胞中的血红蛋白是大分子有机物，不能透过细胞膜，它相当于“问题探讨”所示装置中的蔗糖分子。
是（相当于）。
不一定。因为红细胞吸水膨胀后细胞内液浓度也会下降，如果外界溶液浓度不是很低，有可能细胞内液浓度下降后与外界溶液的浓度达到平衡，此时红细胞将不再吸水。
取决于红细胞内外溶液的浓度差，一般情况下，浓度差越大时，细胞吸水或失水越多。
因为生理盐水的浓度与血浆的浓度基本一致，血细胞不会因为过度吸水或失水而出现形态和功能上的异常。
基于红细胞的结构特点及图示结果，你认为水进出红细胞的方式是什么？请说明原因。
1.细胞膜是选择透过性膜，相当于半透膜;
2.红细胞中富含大分子的血红蛋白等有机物，不能透过细胞膜，当将其置于低浓度溶液中时，膜两侧存在浓度差。
外界溶液
细胞质溶液
蔗糖溶液
相当于
细胞膜
相当于
半透膜
① 动物细胞与外界溶液组成了一个渗透系统
② 动物细胞的细胞膜相当于一层半透膜，水分通过渗透进出细胞
与生活的联系
吃咸瓜子或平时吃话梅等较咸的东西，吃多了后会有什么感觉？为什么会有这种感觉？
觉得嘴唇比较干。因为嘴唇周围的细胞失水。
动物细胞的吸水和失水
动物细胞
细胞膜相当于半透膜
细胞质与外界溶液可以具有浓度差
植物细胞也能发生渗透作用吗？
3、水分进入植物细胞
请说出植物细胞和动物细胞在结构上的主要区别
细胞壁
伸缩性较小，主要作用是支持和保护作用，全透性的，即水分子和水溶性的物质都可以自由地通过细胞壁
细胞液
由于中央液泡占据了细胞的大部分空间，所以细胞内的液体环境主要指的是液泡里面的细胞液
细胞膜
细胞质
液泡膜
由于中央大液泡的存在，细胞质被挤成一薄层。
原生质层
图4-2 成熟的植物细胞模式图
水进出细胞，主要是指水经过原生质层进出液泡。
植物细胞的吸水和失水
细胞壁（全透性）
细胞膜
细胞质
液泡膜
细胞液
（具有一定的浓度）
原生质层
这些现象都说明，植物细胞也像动物细胞一样，会发生吸水或失水现象，吸水或失水同样与外界溶液的浓度有关。
水分进出植物细胞是通过渗透作用吗？
原生质层是否相当于一层半透膜？
提出问题
作出假设
根据已有的知识和经验作出合理的推断，做出尝试性回答。
水分进出植物细胞是通过渗透作用！
原生质层是否相当于一层半透膜！
设计实验
1. 如果假设正确，当外界溶液浓度高于细胞液的浓度时，细胞就会_______；当外界溶液的浓度低于细胞液时，细胞就会_________.
2. 如何使细胞外溶液浓度提高或降低？
3. 如何看到细胞？需要用到什么材料和器具？
4. 对实验结果作出预测——细胞失水或吸水后可能出现哪些可观察的变化？
实验：探究植物细胞的吸水和失水
滴清水
撕取洋葱鳞片叶外表皮细胞
盖上盖玻片，制成洋葱鳞片叶外表皮临时装片
低倍镜下观察
在盖玻片的一侧滴0.3 g/mL的蔗糖溶液，在另一侧用吸水纸吸引
低倍镜下观察
在盖玻片的一侧滴清水，在另一侧用吸水纸吸引
低倍镜下观察
紫色中央液泡的大小，以及原生质层的位置。
中央液泡是否逐渐变小，原生质层在什么位置，细胞大小是否变化。
中央液泡是否逐渐变大，原生质层的位置有没有变化，细胞大小有没有变化
滴加蔗糖溶液
滴加清水
质壁分离
质壁分离复原
水分子多 水分子少
中央液 泡大小 原生质层 的位置 中央液 泡颜色 细胞的大小 细胞液的渗透压
蔗糖溶液
清水
变小
逐渐恢复原来大小
原生质层逐渐与细胞壁分离
原生质层逐渐恢复原来位置
基本不变
基本不变
变深
变浅
变大
变小
0.3g/mL
蔗糖溶液
清水中
思 考：
1.该实验过程共观察了3次，制作临时装片后观察，滴加蔗糖溶液后观察，再次滴加清水后观察。每一次是什么样的实验现象呢？
第一次观察
滴加蔗糖溶液后观察
再次滴加清水溶液后观察
质壁分离：植物细胞由于液泡失水，而使原生质层与细胞壁分离的现象。
质壁分离复原：当细胞液浓度高于外界溶液浓度时，细胞吸水使整个原生质层恢复成原来的状态。
思 考：
2.解释滴加 0.3g/mL的蔗糖溶液后液泡变小的原因。
细胞外蔗糖溶液的浓度高于细胞液，水从细胞液透过原生质层进入到蔗糖溶液中，液泡发生失水收缩，原生质层一定程度的收缩。
实验结论
①成熟植物细胞能与外界溶液进行渗透作用，当细胞外溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，发生质壁分离。
②当细胞外溶液浓度小于发生质壁分离的细胞的细胞液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原。
当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，发生质壁分离。
当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原。
植物细胞之比分离和复原的现象
植物细胞可以进行吸水和失水
说明
原生质层相当于一层半透膜
得出结论
植物细胞的质壁分离（左图表示刚开始发生质壁分离，右图表示已明显发生质壁分离；放大200倍）
图4-2
外界溶液
细胞膜
原生质体
相当于
半透膜
细胞质
液泡膜
细胞液
相当于
蔗糖溶液
通过上面的探究活动可以看出，植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，植物细胞也是通过渗透作用吸水和失水的。
实验原理
②原生质层比细胞壁的伸缩性___
①成熟植物细胞的原生质层相当于一层______
细胞液与外界环境具有一定的浓度差，能渗透吸水和失水
内因：
外因：
半透膜
大
外界溶液浓度 > 细胞液浓度
原生质层相当于半透膜
细胞渗透失水
细胞壁伸缩性小
原生质层伸缩性大
质壁分离
质壁分离
外界溶液浓度 < 细胞液浓度
原生质层相当于半透膜
细胞渗透吸水
细胞壁伸缩性小
原生质层伸缩性大
质壁分离
复原
质壁分离复原
质壁分离的原因：
内因：
原生质层伸缩性大于细胞壁伸缩性
外因：
外界溶液浓度大于细胞液的浓度，细胞失水
溶质分子进入了细胞，如滴加浓度稍高的硝酸钾溶液时（硝酸钾、甘油、葡萄糖溶液等均可复原）
质壁分离复原的两种特殊情况分析：
1、已经发生质壁分离的细胞，再放入清水也不能复原的原因？
细胞死亡
2、发生质壁分离自动复原
发生质壁分离或复原的条件有哪些？
(3) 活细胞
总结：
（1）具有细胞壁
（2）具有大液泡
特别提醒
1、实验成功的关键是实验材料的选择。
活细胞、有细胞壁、有大液泡
紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞
黑藻叶片细胞
2.质壁分离和质壁分离复原中水分移动是双向的，总结果是单向的。
3.质壁分离后在细胞壁和细胞膜之间充满的是外界溶液，因细胞壁是全透性。
4.选择对细胞无毒害作用，浓度适中的外界溶液，浓度过高会导致细胞失水过多而死亡。
5.若用葡萄糖、KNO3、NaCl、尿素、乙二醇等做实验会出现自动复原现象，因溶液溶质会转移到细胞内而引起细胞液浓度升高。
特别提醒
拓展——质壁分离及其复原的应用
（1）判断细胞的死活
（2）测定细胞液浓度范围
（3）比较不同植物细胞的细胞液浓度
（4）农业生产中的水肥管理
（5）生活中杀菌、防腐、腌制食品
（6）鉴别不同种类的溶液。
成熟植物细胞+不同种类溶液→质壁分离→溶质不能通过半透膜的溶液（如蔗糖溶液）
质壁分离后又自动复原→溶质能通过半透膜的溶液
（如KNO3、尿素、甘油、乙二醇等溶液）

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