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第四章 细胞的物质输入和输出
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1.观察植物细胞的质壁分离与复原2.通过模拟实验探究膜的透性3.细胞膜的结构4.物质出入细胞的方式 　　本章知识难度较低，一般考查细胞膜的流动镶嵌模型、物质跨膜运输方式的分析，让学生学会根据现象提出问题、分析原理、归纳概念的方法；联系生活实际进行类比，培养解读图表的能力，探索使用图表描述生理活动的方法。如2010山东理综第3题考查载体与运输关系；2010广东理综第1题考查主动运输的特点；2010上海生物第10题考查协助扩散；2010上海生物第20题考查质壁分离的相关知识。“物质出入细胞的方式及影响因素”和“影响物质的运输因素及实验探究”仍然是今年高考的热点。
第一课时 物质跨膜运输的实例
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一、细胞的吸水和失水
1．原理：发生了________作用。该作用必须具备两个条件：
(1)具有________。
(2)膜的两侧溶液具有________。
2．植物细胞的吸水和失水
(1)在成熟的植物细胞中，原生质层(细胞膜＋________＋两者之间的细胞质)相当于一层________。
(2)成熟植物细胞发生质壁分离的条件是_______________________，发生质壁分离复原的条件是_____________。
二、实验探究植物细胞的吸水和失水
1．探究实验的一般过程
提出问题→________→________→进行实验→分析结果，得出结论→表达和交流→________。
2．实验原理
成熟的植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，________具有一定的浓度，能够________。
3．实验过程
制作装片→________→实验现象(细胞发生________)→得出结论。
三、物质跨膜运输的其他实例
1．对无机盐的吸收实例
(1)水稻和番茄对同一离子的吸收量________。
(2)水稻和番茄对________的吸收量不同。
(3)人体甲状腺滤泡上皮细胞可以________从血液中吸收碘。
2．生物膜的特性
细胞膜和其他生物膜可以让________自由通过，一些________也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过，因此它们都是________膜。
答案：
一、1.渗透　(1)半透膜　(2)浓度差　2.(1)液泡膜　半透膜　(2)细胞液浓度小于外界溶液浓度　细胞液浓度大于外界溶液浓度
二、1.作出假设　设计实验　进一步探究　2.细胞液　渗透失水和吸水　3.显微镜观察　质壁分离、复原
三、1.(1)不同　(2)不同离子　(3)逆浓度梯度　2.水分子　离子和小分子　选择透过性
1．渗透系统的组成(如图)及特点
(1)半透膜，可以是生物性的选择透过性膜，如细胞膜，也可以是物理性的过滤膜，如玻璃纸。
(2)半透膜两侧的溶液具有浓度差。
2．渗透作用的发生
(1)若S1溶液浓度大于S2，则单位时间内由S2→S1的水分子数多于S1→S2，外观上表现为S1液面上升；若S1溶液浓度小于S2，则情况相反，外观上表现为S1液面下降。
(2)在达到渗透平衡后，若存在如图所示的液面差Δh，则S1溶液浓度仍大于S2。
3．渗透系统的应用
(1)比较不同溶液浓度大小
漏斗内 烧杯内
溶液浓度 M N
现象及结论 ①若漏斗内液面上升，则M>N②若漏斗内液面不变，则M＝N③若漏斗内液面下降，则M(2)验证渗透作用发生的条件
①具有半透膜：
②具有浓度差：
1．实验流程
2．实验结论
成熟植物细胞能与外界溶液发生渗透作用，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。
3．质壁分离的原因分析
4．实验中注意事项
(1)选择有大的液泡且最好液泡带有颜色的细胞作实验材料。
(2)滴加蔗糖溶液和清水时，必须在实验桌上进行，不能在显微镜的载物台上进行。
(3)本实验选用0.3 g/mL的蔗糖溶液(此浓度下既明显出现质壁分离，又不致杀死细胞)。浓度过高，质壁分离速度虽快，但不久细胞会因失水过多而死亡，不能再进行质壁分离复原；浓度过低不能引起质壁分离或质壁分离速度太慢。此外，8%的食盐溶液，5%的硝酸钾溶液等也可使用。盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞，不适于做质壁分离的溶液。
5．细胞吸水和失水原理的应用
(1)对农作物的合理灌溉，既满足了作物对水分的需求，同时也降低了土壤溶液的浓度，有利于水分的吸收。
(2)盐碱地中的植物不易存活或一次施肥过多造成“烧苗”现象，都是因为土壤溶液浓度过高，甚至超过了根细胞液浓度，导致根细胞不易吸水甚至失水造成的。
(3)糖渍、盐渍食品不易变质的原因，是在食品外面和内部形成很高浓度的溶液，使微生物不能在其中生存和繁殖，所以能较长时间的保存。
(4)医用的生理盐水浓度为0.9%，其渗透压与人体细胞外液的渗透压相当，可以使人体细胞保持正常的形态和功能。
1．判断细胞的死活
2．测定细胞液浓度范围
待测细胞＋一系列浓度梯度的蔗糖溶液 ,细胞液浓度介于未发生质壁分离和刚刚发生质壁分离的蔗糖溶液的浓度之间。
3．比较不同植物细胞的细胞液浓度
不同植物细胞＋同一浓度的蔗糖溶液刚刚发生质壁分离时所需时间的比较→判断细胞液浓度(即时间越短，细胞液浓度越小)。
4．比较一系列溶液的浓度的大小
同一植物的相同成熟细胞＋未知浓度的溶液 记录刚刚发生质壁分离所需时间→比较所用时间长短→判断溶液浓度的大小(时间越短，未知溶液的浓度越大)
5．鉴别不同种类的溶液(如KNO3和蔗糖溶液)
例一 将成熟的植物细胞放在溶液中能构成一个渗透系统，主要原因是 (　　)
A．液泡膜内外溶液有浓度差 B．细胞的原生质层可看做一层半透膜
C．细胞壁具全透性 D．水分子可以自由出入细胞
解析：成熟的植物细胞，也就是具有大液泡的植物细胞，主要靠渗透作用来吸收水分。从成熟植物细胞的结构特点来分析，一个成熟的植物细胞放在溶液中能构成一个渗透系统是因为细胞的原生质层可看做一层半透膜。
答案：B
(2010·潍坊模拟)如图实验装置，玻璃槽中是蒸馏水，半透膜允许单糖透过。倒置的长颈漏斗中先装入蔗糖溶液，一定时间后再加入蔗糖酶。最可能的实验现象是 (　　)
A．漏斗中液面开始时先上升，加酶后又下降
B．在玻璃槽中会测到蔗糖和蔗糖酶
C．漏斗中液面开始时先下降，加酶后一直上升
D．在玻璃槽中会测到葡萄糖、果糖和蔗糖酶
答案：A
解析：实验开始时，蔗糖不能透过半透膜，所以单位时间内通过半透膜渗透进长颈漏斗中的水分子数比渗透出来的多，漏斗内液面上升。而加入酶后，将蔗糖分解为单糖，单糖分子能透过半透膜进入玻璃槽中，使玻璃槽内液体浓度升高，一段时间后，水分子从长颈漏斗内渗出的较多，漏斗内液面下降。
例二 观察植物细胞的质壁分离和复原，选用紫色洋葱作为实验材料效果较好，这是因为 (　　)
A．只有紫色洋葱的表皮细胞才会发生质壁分离
B．其细胞液呈紫色，质壁分离以后容易与外界溶液区分
C．其细胞膜呈紫色，质壁分离以后容易与细胞壁区分
D．紫色洋葱表皮细胞的液泡特别大，易于观察
解析：质壁分离后原生质层与细胞壁之间充满了外界溶液，如果细胞液与外界溶液以及它们之间的原生质层都是无色的，则不便于观察判断。紫色洋葱表皮细胞的细胞液呈紫色，质壁分离以后容易与外界溶液区分。
答案：B
在浓蔗糖溶液中，能够发生质壁分离的细胞是 (　　)
A．人的口腔上皮细胞　　　
B．蛙的红细胞
C．皮肤的角质层细胞
D．洋葱的表皮细胞
答案：D
解析：质壁分离中的“质”是指原生质层，而不是细胞质，“壁”是指细胞壁。细胞能否发生质壁分离，除必须具备渗透系统(由液泡内的细胞液和细胞外的溶液两个溶液体系以及位于二者之间的相当于半透膜的原生质层组成)外，还必须具有细胞壁，在此基础上才能谈质壁分离与否，由于A、B、C答案均为动物细胞，既无液泡，又无细胞壁，故不能发生质壁分离，而答案D具备以上两个条件，故能发生质壁分离。
例三 甜菜块根细胞的液泡中有花青素，使块根表现为红色。将块根切成小块放在蒸馏水中，水无明显的颜色变化，但用盐酸处理这些块根后，则能使水变红。这是因为 (　　)
A．细胞壁被盐酸解离
B．盐酸破坏了细胞膜的选择透过性
C．盐酸破坏了原生质层的选择透过性
D．花青素不溶于水而溶于盐酸
解析：花青素位于液泡内，细胞经盐酸处理后，原生质层失去选择透过性，花青素进入外界溶液中。
答案：C
用完全培养液在两个相同的容器内分别培养水稻和番茄苗，假设两植物的吸水速率相同，一段时间后，测定培养液中各种离子与实验开始时各种离子浓度之比如图所示，该实验的结果不能说明 (　　)
A．水稻吸收水的相对速率比吸收Ca2＋、Mg2＋的大
B．与番茄相比，水稻对Si4＋需要量大，对Ca2＋需要量小
C．不同植物根尖细胞膜上载体的种类和数量是不同的
D．植物对各种离子的吸收速率与溶液中离子的浓度有关
答案：D
解析：培养水稻的溶液中，实验后Ca2＋、Mg2＋与实验前的比值大于1，说明Ca2＋、Mg2＋浓度增大，即吸收水多于吸收Ca2＋、Mg2＋的量。水稻吸收的Si4＋多，对Ca2＋、Mg2＋吸收量少，而番茄吸收的Ca2＋和Mg2＋较多，对Si4＋吸收量少。这体现了植物对无机盐离子的吸收具有选择性，其原因在于不同植物根尖细胞膜上载体的种类和数量是不同的。图中并不能看出植物体对各种离子的吸收速率与溶液中的离子浓度有关。
1．一次施肥过多，作物变得枯萎发黄的原因是 (　　)
A．根细胞从土壤中吸收的养分过多
B．根细胞不能从土壤中吸水
C．根系不能将水向上运输
D．根系加速了呼吸作用，释放的能量过多
答案：B
解析：在正常情况下，植物根细胞液的浓度大于土壤溶液的浓度，细胞能从土壤溶液中吸水，但是一次施肥过多，就会使土壤溶液的浓度大于根细胞细胞液的浓度，植物因不能从土壤溶液中吸水(甚至失水)而变得枯萎发黄。
2．关于“植物细胞的吸水和失水”实验正确的是 (　　)
A．将装片在酒精灯上加热后，再观察细胞质壁分离现象
B．细胞处于一定浓度的蔗糖溶液中即可发生质壁分离
C．用不同浓度的硝酸钾溶液处理细胞，均能观察到质壁分离及复原现象
D．细胞发生质壁分离复原后，仍具有正常生理功能
答案：D
解析：在“植物细胞的吸水和失水”实验中，要始终保持细胞的生活状态，因此装片不能在酒精灯上加热。要使细胞发生质壁分离现象，应使蔗糖溶液的浓度大于细胞液的浓度，同样要使硝酸钾溶液浓度大于细胞液的浓度。
3．将相同的四组马铃薯条分别浸入四种溶液中，一小时后测定薯条质量变化的百分率，结果如下表。下列叙述中正确的是 (　　)
溶液 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
质量变化率 ＋8% －6% －4% 0
A.Ⅰ的浓度最低　　　　　
B．Ⅱ的浓度较Ⅲ低
C．Ⅳ的浓度最高
D．Ⅳ可能是蒸馏水
答案：A
解析：由表中数据分析知：马铃薯条质量增加意味着吸水，质量减少意味着失水，植物细胞吸水时，外界溶液浓度低，植物细胞失水时，外界溶液浓度高。
4．洋葱表皮细胞在质壁分离及其复原过程中，液泡体积的变化趋势是 (　　)
答案：B
解析：在质壁分离过程中，细胞失水，液泡体积由大到小；而在质壁分离复原过程中，细胞吸水，液泡体积逐渐增大。
5．水溶性染色剂(PI)能与核酸结合而使细胞核着色，可将其应用于细胞死活的鉴别。细胞浸泡于一定浓度的PI中，仅有死亡细胞的核会被染色，活细胞则不着色，但将PI注射到活细胞中，则细胞核会着色。利用PI鉴别细胞的基本原理是 (　　)
A．死细胞与活细胞的核酸结构不同
B．死细胞与活细胞的核酸含量不同
C．活细胞能分解染色剂PI
D．活细胞的细胞膜阻止PI的进入
答案：D
解析：活细胞的细胞膜具有选择透过性以保证物质选择性地出入细胞，维持正常的生命活动。水溶性染色剂(PI)不是细胞所需物质，因而不能通过活细胞的细胞膜。细胞死亡后，细胞膜及其他生物膜的选择透过性丧失，溶于水中的物质(如PI)都可以通过，而使细胞核着色。
6．给你洋葱、蔗糖、蒸馏水及必要的工具。请你设计一个测定洋葱表皮细胞液浓度范围(误差小于1%)的实验方案。(提示：在30%的蔗糖溶液中洋葱表皮细胞会发生明显的质壁分离。)
(1)原理：________作用原理。
(2)方法：①配制________30%________浓度的蔗糖溶液。②制作________洋葱表皮细胞装片。
③用显微镜按________观察装片。
(3)结论：该洋葱表皮细胞液的浓度介于________与________质壁分离的两种相邻浓度的浓度之间。
答案：(1)渗透
(2)①小于　等梯度　②各种浓度　③浓度梯度顺序逐一
(3)刚刚发生　不能发生
解析：根据渗透作用的原理，当外界浓度高于细胞液浓度时细胞失水，发生质壁分离现象。那么，刚刚可以引发植物细胞发生质壁分离的溶液浓度和相邻的不能引起质壁分离溶液的浓度，就是该细胞液浓度的区间。30%蔗糖溶液在实验中可引发细胞的质壁分离，那么实验中就应该选择小于30%的一系列浓度分别做实验，按浓度梯度逐一进行观察，找到能发生和不能发生质壁分离这一浓度区间。
7．下面能发生质壁分离的一组细胞是 (　　)
①食用的糖醋蒜细胞　②蚕豆叶的表皮细胞　③植物的根毛细胞　④人的口腔上皮细胞　⑤用盐酸解离的洋葱根尖细胞　⑥根尖分生区细胞
A．①⑤ B．②③⑥
C．①②③④⑤⑥ D．②③
答案：D
解析：能发生质壁分离的细胞为活的成熟的高等植物的体细胞，①是死细胞，④是人的细胞，没有细胞壁，⑤用盐酸解离会杀死细胞，⑥没有大的液泡，这些细胞都不能发生质壁分离。②和③都是活的成熟的高等植物细胞，可以发生质壁分离。
8．“人造细胞”是用玻璃纸等半透性膜材料做成的一个密闭的囊，囊里面装了等量的不同浓度的蔗糖溶液。假设有三个这样的“人造细胞”，分别用A、B、C表示，它们的蔗糖溶液浓度分别是10%、20%、30%。其中A、B的外面套一金属网笼，C的外面没有套金属网笼，如图所示。把三个“人造细胞”同时放在蔗糖溶液浓度为15%的玻璃槽中，经过一段时间后，三个“细胞”的变化分别是 (　　)
A．A变大，B稍微变小，C不变
B．A变小，B稍微变大，C不变
C．A变小，B稍微变大，C变大
D．A变大，B稍微变小，C变大
答案：C
解析：根据渗透作用原理和A、B、C中蔗糖溶液的浓度及玻璃槽中蔗糖溶液的浓度的对比可知A变小，B稍微变大，C变大。
9．(2009·海南生物)已知鱼鳔是一种半透膜。若向鱼鳔内注入适量的20%蔗糖溶液、排出鱼鳔内的空气，扎紧开口，将其浸没在盛有10%蔗糖溶液的烧杯中，下列能正确表示烧杯内蔗糖溶液浓度随时间变化趋势的示意图是 (　　)
答案：B
解析：鱼鳔内的蔗糖溶液浓度高于外边，所以会从烧杯中吸水使烧杯内液体浓度升高，吸水到一定程度后，鱼鳔由外浓度相等，水进出达到平衡，烧杯内液体浓度不再变化。
10．为研究植物a能不能移植到b地生长，某生物学研究性学习小组设计了一个测定植物a细胞液浓度的实验方案，实验结果如下表：
浓度(mol/L) 0.15 0.2 0.25 0.3
质壁分离 不分离 刚分离 显著 显著
他们又测定了b地土壤溶液的浓度。为保证植物a移植后能正常生存，该地土壤溶液的浓度应 (　　)
A．≥0.2　　 B．≤0.2 C．≥0.3　　 D．<0.2
答案：D
解析：从题干供给的实验结果看，植物a细胞液的浓度范围是0.15－0.2 mol/L，则该植物适于栽种的土壤溶液浓度应<0.2 mol/L。
11．某同学进行实验，甲图为实验开始状态，乙图为实验结束状态。请在乙图所示实验结果的基础上继续实验，探究蔗糖的水解产物能否通过半透膜。
增添的实验材料：蔗糖酶溶液、斐林试剂、试管、滴管、水浴锅等。
(1)设计出继续实验的简要步骤：
①_______________________________________；
②_______________________________________。
(2)预测实验现象并作出结论。
________________________________________。
答案：(1)①向a、b两管分别加入等量蔗糖酶溶液，水浴加热(或隔水加热)U型管至适宜温度，观察a、b两管内液面的变化　②吸取a、b两管内适量液体，分别加入A、B两试管中，并加入斐林试剂，(60～65 ℃)水浴加热，观察A、B试管内有无砖红色沉淀
(2)如果a、b两管液面高度差缩小且A、B试管内均有砖红色沉淀，则蔗糖的水解产物能通过半透膜；如果a、b两管液面高度差增大且A试管内无砖红色沉淀、B试管内有砖红色沉淀，则蔗糖的水解产物不能通过半透膜
解析：本题以渗透装置为平台，考查学生的实验设计能力。目前图乙处于渗透平衡状态，情形1：a管蒸馏水因得到溶质而浓度升高，渗透平衡被打破，b管内的溶剂(水)分子就会通过半透膜扩散到a管中，则a管液面上升；情形2：b管蔗糖溶液因得到溶质而浓度升高，渗透平衡被打破，a管内的试剂(水)分子就会通过半透膜扩散到b管中，则b管液面上升；根据添加的实验材料可知，本实验要用蔗糖酶水解蔗糖，产生还原糖，可用斐林试剂进行检测，由蔗糖(二糖)水解成还原糖(单糖)，溶质的量会增加；如果蔗糖的水解产物能够通过半透膜，符合上述情形1，如果蔗糖的水解产物不能通过半透膜，符合上述情形2。
12．(2010·上海生物)下图为显微镜下某植物细胞在30%蔗糖溶液中的示意图。下列叙述中错误的是 (　　)
A．若将细胞置于清水中，A仍保持不变
B．若该细胞处于40%蔗糖溶液中，B/A值将变小
C．B/A值能表示细胞失水的程度
D．A、B分别表示细胞和液泡的长度
答案：D
解析：处于质壁分离状态的细胞放在清水中，将会出现质壁分离复原的现象，复原后的细胞体积基本不变；提高外界溶液的浓度，细胞继续失水，体积继续减小，B/A值将变小；B/A值越小失水越严重，所以该值能代表细胞失水的程度；A表示细胞壁长度，B代表原生质体的长度，并非代表液泡长度。
13．(2010·浙江理综)为研究兔红细胞在不同浓度NaCl溶液中的形态变化，请根据以下提供的实验材料与用具，写出实验思路，设计记录实验结果及原因分析的表格，并填入相应内容。
材料与用具：兔红细胞稀释液、质量分数为1.5%的NaCl溶液、蒸馏水、试管、显微镜等。
(要求：答题时对NaCl溶液的个体配制、待观察装片的具体制作不作要求)
(1)实验思路：
①
…
(2)设计一张表格，并将预期实验结果及原因分析填入该表中。
答案：(1)①配制质量分数由低到1.5%的NaCl溶液，分别等量加入各支试管中。
②向上述各支试管中分别加入等量的兔红细胞稀释液，放置一定时间。
③取兔红细胞稀释液和上述试管中的红细胞稀释液制作装片，用显微镜观察并比较红细胞形态的变化。
(2)
不同浓度NaCl溶液对兔红细胞形态的影响
NaCl溶液的浓度 红细胞形态的变化 原因分析
低于一定浓度的NaCl溶液 体积变大甚至胀破 红细胞吸水
一定浓度的NaCl溶液 形态未变 进出红细胞的水分子数相等
高于一定浓度的NaCl溶液 皱缩，体积变小 红细胞失水
解析：(1)兔红细胞在不同浓度NaCl溶液中的形态变化是未知的，因此本实验是探究实验。自变量是不同浓度NaCl溶液，因变量是兔红细胞在不同浓度NaCl溶液中的形态。兔的血浆与0.7%的NaCl溶液差不多是等渗的。从题中所给的材料来看，1.5%的NaCl是最高浓度，但可用蒸馏水稀释成不同低浓度的NaCl溶液。红细胞的形态用肉眼是看不见的，只能用显微镜观察。
(2)表格的设计要体现自变量和因变量的关系，也就是NaCl浓度与细胞形态的关系，根据题目要求，还要把原因分析列入表格。兔红细胞形态不变所对应的NaCl溶液的浓度是未知的，所以表格中的预期实验结果用“一定浓度”来描述。

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