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2019-2020年高中生物 （人教大綱版）第一冊 第三章　生物的新陳代謝 4植物對(duì)水分的吸收和利用(備課資料) 一、植物的水勢 俗話說，“水往低處流”，即由“水位”高處流向“水位”低處。如生根于土壤中的植物，通常，根系吸收的水分沿著莖枝上運(yùn)到葉子，散失到大氣中，水流的大方向是逆著地心引力的。偶爾，雨后葉片吸足了雨水，水分也可沿莖向下流動(dòng)。在這些例子中，水流方向相對(duì)于引力方向來說，頗不一致，但是，如從水勢的角度看，都是從“高水勢”區(qū)域向著“低水勢”區(qū)域流動(dòng)，水流方向是一致的。 水勢表示水進(jìn)行擴(kuò)散、蒸發(fā)或被吸附的趨勢，它的單位是單位體積的能量，與壓力相等，通常用人氣壓或巴表示(1 bar=0.987 atm)。水勢已被廣泛作為植物水分狀況的基本度量。通常將純水的水勢定為零，以作標(biāo)準(zhǔn)，而溶液中溶質(zhì)分子降低了水分子的能量，因此溶液與純水相比就具有負(fù)值。 任何含水體系的水勢，都要受到能夠改變水分子自由能的諸因素的影響。植物細(xì)胞的水勢則受細(xì)胞組分的影響，干燥的種子和分生組織的細(xì)胞，依靠其能夠吸附水分的物質(zhì)即襯質(zhì)(纖維裘、蛋白質(zhì)、淀粉等)而吸水，即襯質(zhì)勢。成熟的細(xì)胞有一個(gè)大液泡，含有一定的溶質(zhì)和水分，依靠其滲透作用而吸水，即滲透勢。 1．水勢和水流 水分的自發(fā)流向是由高水勢到低水勢，并且流到水勢相等為止。由此可以理解植物細(xì)胞的水分關(guān)系和植物整體的水分吸收、傳導(dǎo)和散失問題。 細(xì)胞的“水勢”僅僅標(biāo)志細(xì)胞的水分“狀態(tài)”，并不標(biāo)志水分的流動(dòng)，就是說，并不表示細(xì)胞的吸水或失水。標(biāo)志水分流動(dòng)的方向和限度的是細(xì)胞之間或細(xì)胞及其環(huán)境之間的“水勢梯度”(即水勢差)，但它也只是表示水分流動(dòng)的“可能性”，并不表示水分的實(shí)際流動(dòng)。決定水分實(shí)際流動(dòng)的不僅有水勢差，還有阻力差，即兩地點(diǎn)之間水分實(shí)際的速度，與其水勢差應(yīng)成正比，與阻力差成反比。在活細(xì)胞之間(根中，葉中)通過原生質(zhì)或共質(zhì)體進(jìn)行水分流動(dòng)，阻力很大，所以水分運(yùn)輸距離很短；在質(zhì)外體部分(細(xì)胞壁、細(xì)胞間隙、導(dǎo)管)阻力小，因而才可能發(fā)生長距離的水分運(yùn)輸。 2．水勢與根吸水 植物根細(xì)胞在土壤中吸取水分，取決于根細(xì)胞的水勢和土壤溶液的水勢高低。只要土壤溶液的水勢高于根細(xì)胞的水勢，根細(xì)胞就能從土壤這個(gè)復(fù)雜溶液中吸取水分；相反，如果土壤中施入過多的化肥，則會(huì)使得土壤溶液的水勢低于根細(xì)胞的水勢。這時(shí)植物根細(xì)胞就不能從土壤中吸取水分，反而會(huì)使根細(xì)胞的水分向外流出，從而造成對(duì)植物的不利影響。 3．水勢與質(zhì)壁分離 如果將小片植物組織放于比其液泡更濃的外界溶液中時(shí)，外界溶液就是“低水勢溶液”，細(xì)胞內(nèi)的水分就會(huì)離開細(xì)胞，即發(fā)生細(xì)胞失水，直至原生質(zhì)體從細(xì)胞壁上脫離，并收縮到細(xì)胞中央，外界溶液就自由地穿過細(xì)胞壁，填充了收縮的原生質(zhì)和細(xì)胞壁之間的空間，即細(xì)胞發(fā)生了質(zhì)壁分離：將這樣的細(xì)胞收入“高水勢溶液”中，水分就會(huì)從高水勢溶液進(jìn)入細(xì)胞，即細(xì)胞吸水，可產(chǎn)生質(zhì)壁分離復(fù)原。所以通常所說的“高滲溶液”其實(shí)就是“低水勢溶液”，所謂“低滲溶液”就是“高水勢溶液”。 4．水勢與蒸騰作用 蒸騰作用的速度，即水蒸氣從植物的氣孔部分的散失，依賴于氣孔開張的大小，葉片內(nèi)的空氣和大氣之間水勢差，以及空氣湍流。大氣中的水越少則其水勢就越低。當(dāng)空氣為水分所飽和時(shí)，其水勢為零。空氣相對(duì)濕度只要下降1％或2％，水勢就會(huì)急劇下降，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度下降至約50％時(shí)，大氣的水勢就會(huì)下降到負(fù)數(shù)值。因?yàn)槿~細(xì)胞的水勢很少低于-20 bar，水分就會(huì)迅速地由細(xì)胞之間的半飽和的空氣中迅速擴(kuò)散至干燥的空氣中，這些細(xì)胞具有與周圍細(xì)胞處于平衡狀態(tài)的水勢。和植物體中的運(yùn)動(dòng)一樣，水分子也通過沿著水勢梯度的方向移動(dòng)而離開植物。因?yàn)橹参镯敳克值纳⑹В鼓抢锏乃畡莸陀谥参锘康乃畡?，?dǎo)致了土壤中的水分被根吸收后沿著木質(zhì)部的導(dǎo)管形成水流，向著水勢低的部位運(yùn)輸，直至樹木的頂部。 5．水勢與氣孔調(diào)節(jié) 氣孔的大小主要由保衛(wèi)細(xì)胞的膨壓運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)，而這一運(yùn)動(dòng)受水勢的影響，即保衛(wèi)細(xì)胞與其鄰近細(xì)胞間的水勢差發(fā)生了變化，推動(dòng)了細(xì)胞間的水分轉(zhuǎn)移、細(xì)胞體積的改變。近來的研究發(fā)現(xiàn)，根系也通過水勢控制氣孔。甘蔗幼株根系局部受到傷害，若是導(dǎo)管的水勢下降得太快，葉片水分會(huì)被抽出來沿導(dǎo)管向下倒流，以致葉片細(xì)胞體積縮小，立即把氣孔被動(dòng)地拉開，使得蒸騰急劇上升，緊隨著葉片的失水過多，氣孔又主動(dòng)地合攏。受傷的根系就這樣靠導(dǎo)管上下兩端水勢差的逆轉(zhuǎn)使得水液倒流，對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)發(fā)生了既被動(dòng)又主動(dòng)的作用。 土壤——植物——大氣組成了一個(gè)連續(xù)的體系，植物吸收水分受到這個(gè)體系中的水勢梯度的影響和調(diào)節(jié)，因此，植物的水勢問題日益受到人們的重視。 二、對(duì)“植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn) “植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)是初一生物教學(xué)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生了解植物細(xì)胞的吸水和失水的不同條件。過去教師常作為演示實(shí)驗(yàn)在課堂出示給學(xué)生，往往要提前準(zhǔn)備好，以防效果不明顯。即使這樣，教學(xué)效果也大受影響，原因是：學(xué)生未能參與實(shí)驗(yàn)全過程，若作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，往往由于操作和工具等原因成功率不高，實(shí)驗(yàn)效果不理想。 1．原因分析 對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)步驟和方法進(jìn)行了分析，認(rèn)為以下幾點(diǎn)值得研究： (1)通常要求用小刀在馬鈴薯(或蘿卜)表面挖一個(gè)與橡皮塞直徑相同的圓洞，但十有八九挖不圓，再要求這個(gè)洞的直徑與橡皮塞的直徑相同就更難做到了，于是就會(huì)出現(xiàn)反復(fù)挖洞仍不理想的情況。僅這一環(huán)節(jié)就會(huì)占去不少的實(shí)驗(yàn)時(shí)間；有人改為打孔器鉆洞仍然存在所挖洞的口徑與橡皮塞直徑難以等同的問題，尤其是學(xué)生操作則更難。 (2)由于上述挖洞操作困難，就容易造成橡皮塞與馬鈴薯(或蘿卜)之間的封閉不嚴(yán)，影響實(shí)驗(yàn)效果，而且裝置帶玻璃管的橡皮塞操作學(xué)生更難掌握。 (3)由于洞口封閉不嚴(yán)，實(shí)驗(yàn)過程中洞內(nèi)裝入的鹽水或清水就易在洞口處外溢，這樣細(xì)胞吸水和失水現(xiàn)象將大受影響。 由此看來，采用簡便易行的方法作洞口密封嚴(yán)密的裝置是本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。 2．改進(jìn)意見 針對(duì)以上情況，我對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)作了如下改進(jìn)。 (1)用一根直徑6 mm、長200 mm的玻璃通管作工具直接在馬鈴薯(或蘿卜)表面挖洞。即用手握住玻璃管的一端在馬鈴薯(或蘿卜)表面向縱深方向順時(shí)針鉆進(jìn)，約2 cm深時(shí)即將玻璃背迅速拔出，此時(shí)鉆下的馬鈴薯(或蘿卜)芯塊也隨玻璃管帶出，這樣一個(gè)與玻璃管外徑相等的圓洞一次挖成。 　(2)用一段長于200 mm的細(xì)鐵絲將玻璃通管內(nèi)的芯塊捅出，洗凈玻璃通管，再取一段直徑為5 mm、長7 mm的乳膠管套在直徑為6 mm、長200 mm的玻璃通管一端，直至與管口平齊時(shí)止，再將此端豎直插入馬鈴薯(或蘿卜)洞中約1 cm深。做2個(gè)同樣的裝置。再用吸管向兩玻璃管內(nèi)分別加入鹽水或清水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 　效果；我們在初一年級(jí)4個(gè)班共1OO個(gè)組中試驗(yàn)，結(jié)果在15～20 min可見馬鈴薯(或蘿卜)細(xì)胞失水現(xiàn)象的有96個(gè)組，成功率占96％，在30～40 min見到馬鈴薯(或蘿卜)細(xì)胞吸水現(xiàn)象有的93個(gè)組，成功率占93％。 后的實(shí)驗(yàn)克服了以前的不足，具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）用直徑6mm、長200mm的玻璃管作挖洞工具速度既快洞又圓，學(xué)生操作很易成功，用直徑5mm、長7mm的乳膠管段套在玻璃通管外面代替膠塞塞入馬鈴薯（或蘿卜）洞中，洞口密封極嚴(yán)，實(shí)驗(yàn)中不會(huì)有洞口處外溢情況。 （2）實(shí)驗(yàn)操作簡便易行，見效快，所用材料成本低。 （3）實(shí)驗(yàn)成功率高，了解植物細(xì)胞吸水和失水的不同條件的實(shí)驗(yàn)?zāi)康哪芾硐脒_(dá)到，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。 注：每組實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)立即將玻璃通管及乳膠管段一起洗干凈，以保下組實(shí)驗(yàn)成功。 三、細(xì)胞的吸脹作用 一般來說，植物細(xì)胞在形成液泡之前的吸水主要是吸脹作用。吸脹作用指原生質(zhì)、細(xì)胞壁、淀粉粒和蛋白質(zhì)等呈凝膠狀態(tài)的親水物質(zhì)吸水膨脹的現(xiàn)象。如，風(fēng)干種子萌發(fā)時(shí)的吸水，分生組織的細(xì)胞生長時(shí)的吸水等。 滲透作用與水分流動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn)、植物細(xì)胞質(zhì)壁分離與復(fù)原實(shí)驗(yàn)的區(qū)別。 前者漏斗管是開放的，只要漏斗內(nèi)溶液的濃度高于燒杯內(nèi)溶液的濃度（這里是清水），漏斗管內(nèi)的液面將上升；后者在質(zhì)壁分離的復(fù)原（相當(dāng)于吸水）過程中，細(xì)胞是被細(xì)胞壁所“封閉”的，水分子滲入到一定程度，液泡膨大，并且通過原生質(zhì)層施于細(xì)胞壁的膨壓等于細(xì)胞壁的反作用力——壁壓，這時(shí)植物細(xì)胞將不再吸水，細(xì)胞也不會(huì)脹壞，這對(duì)保持植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能是極其重要的。 四、水在植物生命活動(dòng)中的重要作用 植物體的生長發(fā)育過程中，每時(shí)每刻都離不開水，水對(duì)于植物維持正常生命活動(dòng)具有重要的意義，具體地說： 第一，水是原生質(zhì)的主要成分。原生質(zhì)的含水量一般在70%～90%，使原生質(zhì)呈溶液狀態(tài)，保證了旺盛的代謝作用正常地進(jìn)行，如根尖、莖尖。若含水量減少，原生質(zhì)便由溶液變成凝膠狀態(tài)，生命活動(dòng)就大大減弱，如休眠種子。如果細(xì)胞失水過多，可能引起原生質(zhì)破壞而致死。 第二，水分是代謝作用過程的反應(yīng)物質(zhì)。光合作用、呼吸作用、有機(jī)物質(zhì)的合成和分解過程中，都有水分子參與。 第三，水分是植物對(duì)物質(zhì)吸收和運(yùn)輸?shù)牧己萌軇?。一般來說，有機(jī)物和無機(jī)物只有溶解在水中才能被植物吸收，各種物質(zhì)在植物體內(nèi)的運(yùn)輸，也要溶解在水中后才能進(jìn)行。 第四，水分能保持植物的固有姿態(tài)。由于細(xì)胞含有大量水分，能維持細(xì)胞的緊脹度，使植物枝葉挺立，便于充分接受光照和交換氣體。同時(shí)，還可使花朵張開，有利于傳粉。 第五，水可以調(diào)節(jié)植物的體溫。水具有很高的汽化熱和比熱，又有較高的導(dǎo)熱性，因此水在植物體內(nèi)的不斷流動(dòng)和葉面蒸騰，能夠順利地散發(fā)葉片吸收的熱量，保證植物即使在炎熱夏季強(qiáng)烈的光照下，也不致被陽光灼傷。 五、蒸騰作用的部位 植物幼小時(shí)，幾乎地上部分的全部表面都具有蒸騰作用。隨著植物生長，主干和枝條發(fā)生木栓化，莖只能通過皮孔向外蒸騰失水，但其量甚微。因此，蒸騰作用絕大部分是在葉片上進(jìn)行。葉片的蒸騰作用有兩種方式：一是角質(zhì)蒸騰，通過葉片表皮角質(zhì)層的蒸騰；一是氣孔蒸騰，通過葉表面的氣孔蒸騰。 六、共質(zhì)體途徑和質(zhì)外體途徑 共質(zhì)體是指植物的組織中，細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)之間以胞間連絲相互連接而成的一個(gè)整體。根尖成熟區(qū)表皮細(xì)胞中的水分，在相互連通的共質(zhì)體中，順著濃度梯度穿過一個(gè)個(gè)細(xì)胞以及這些細(xì)胞之間的胞間連絲，向根尖內(nèi)部運(yùn)輸，這個(gè)過程就叫共質(zhì)體途徑。 質(zhì)外體是指植物組織中細(xì)胞壁和相鄰細(xì)胞之間的細(xì)胞間隙 。纖維素是細(xì)胞壁的主要成分。纖維素具有親水性，水分可以穿過細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙，向根尖內(nèi)部運(yùn)輸，這個(gè)過程就叫質(zhì)外體途徑。 七、范例析與解 ［例1］下列現(xiàn)象屬于滲透作用的是( ) A.萎蔫的菜葉放入清水中恢復(fù)原狀 B.干燥的種子泡在水中膨大 C.新鮮的蘿卜在空氣中變軟 D.放在鹽水中的蘿卜變軟 E.插在瓶中的玫瑰花枝條從瓶中吸水 F.烈日下菠菜葉子下垂 G.兔的紅細(xì)胞在濃鹽水中皺縮 分析：根據(jù)滲透作用的定義，溶劑分子通過半透膜的擴(kuò)散叫做滲透作用。滲透作用的發(fā)生必須具備兩個(gè)條件：一是半透膜，二是半透膜兩側(cè)具有一定濃度差的溶液。萎蔫的菜葉在清水中恢復(fù)原狀，是質(zhì)壁分離的復(fù)原過程，是由于外界水分通過菜葉細(xì)胞的原生質(zhì)層擴(kuò)散到細(xì)胞液中的滲透吸水引起的。由于風(fēng)干，干燥種子的細(xì)胞中基本上只保留了結(jié)合水，沒有形成細(xì)胞內(nèi)外的濃度差，只能靠組成物質(zhì)的親水性通過吸脹作用吸水，新鮮的蘿卜在空氣中變軟是由于細(xì)胞內(nèi)水分的蒸發(fā)而非滲透。蘿卜在鹽水中變軟是因滲透失水，細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離而失去緊張度所致。玫瑰花的枝條吸水是枝條中導(dǎo)管的吸水。動(dòng)物細(xì)胞雖無液泡和細(xì)胞液，但在細(xì)胞膜內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)是一團(tuán)蛋白質(zhì)膠體，也具有一定濃度（滲透壓），水分子也可以通過細(xì)胞膜發(fā)生滲透失水而皺縮，烈日下菠菜葉子下垂是由于蒸騰過度而引起的萎蔫，本題所列發(fā)生滲透吸水的是A，而發(fā)生滲透作用失水的是D、G。 答案：ADG ［例2］下列細(xì)胞能發(fā)生質(zhì)壁分離的是( ) A.根尖分生區(qū)細(xì)胞 B.口腔上皮細(xì)胞 C.根毛細(xì)胞 D.干種子細(xì)胞 分析：質(zhì)壁分離指的是細(xì)胞壁與原生質(zhì)層相分離的現(xiàn)象，是具有大型液泡的植物細(xì)胞因滲透失水的結(jié)果。因此，只有具備細(xì)胞壁和大型液泡的植物細(xì)胞才能發(fā)生質(zhì)壁分離。根尖分生區(qū)細(xì)胞和干種子細(xì)胞均無液泡，口腔上皮細(xì)胞無細(xì)胞壁和大型液泡，將其置于何種溶液中均不發(fā)生質(zhì)壁分離，而根毛細(xì)胞具有大的液泡，將其置于高濃度的溶液中可發(fā)生滲透失水而導(dǎo)致質(zhì)壁分離。 答案：C ［例3］植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收和運(yùn)輸?shù)闹饕獎(jiǎng)恿Ψ謩e來自( ) A.蒸騰作用 B.滲透作用 C.呼吸作用 D.光合作用 分析：植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收是一個(gè)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^程，不僅需要載體協(xié)助，還需要消耗細(xì)胞內(nèi)的能量，這能量是由根細(xì)胞呼吸作用提供的，而礦質(zhì)元素進(jìn)入根細(xì)胞后隨著水分的運(yùn)輸達(dá)到植物體的各部分，其動(dòng)力是蒸騰作用產(chǎn)生的拉力。 答案：CA ［例5］在U形管中部，c處裝有半透膜（如右圖），在a處加入細(xì)胞色素c（相對(duì)分子質(zhì)量為1.3萬道爾頓的蛋白質(zhì)）水溶液（紅色），b側(cè)加入清水，并使a、b兩側(cè)液面高度一致，經(jīng)過一段時(shí)間后，其結(jié)果是( ) A.a、b兩液面高度一致，b側(cè)為無色 B.a、b兩液面高度一致，b側(cè)為紅色 C.a液面低于b液面，b側(cè)為紅色 D.a液面高于b液面，b側(cè)為無色 答案：D ［例6］圖中E、F、G為3個(gè)用半透膜制成的小袋，內(nèi)盛有溶液甲或乙，上端分別接上口徑相同的小玻管，E和F體積相同，G體積較大，三者置于盛有溶液丙的大容器中。原初3個(gè)小玻管內(nèi)的液面高度相同。已知三種溶液的水勢高低順序?yàn)槿芤杭祝救芤阂遥救芤罕Ｕ?qǐng)回答： （1）1小時(shí)后，管e和管f的液面升降變化是( ) A.管e下降，管f下降 B.管e下降，管f上升 C.管e上升，管f上升 D.管e上升，管f下降 （2）下列曲線圖中能顯示管f和管g內(nèi)液面可能變化的是( ) 實(shí)線表示針管f，虛線表示管g 答案：（1）C （2）D ［例7］用2 mol/L的乙二醇溶液和2 mol/L的蔗糖溶液分別浸浴某種植物細(xì)胞，觀察質(zhì)壁分離現(xiàn)象，得到原生質(zhì)體體積的變化情況如圖所示。請(qǐng)回答： （1）原生質(zhì)體體積在A→B段的變化說明：在該段時(shí)間內(nèi)水分從原生質(zhì)體______，細(xì)胞液濃度______。 （2）在1分鐘后，處于2 mol/L的蔗糖溶液中的細(xì)胞，其細(xì)胞液濃度將______。此時(shí)，在細(xì)胞壁與原生質(zhì)層之間充滿了______。要使其復(fù)原，應(yīng)將其置于______。 （3）在1分鐘后，處于2 mol/L的乙二醇溶液中的細(xì)胞，其原生質(zhì)體體積的變化是由于______逐漸進(jìn)入細(xì)胞，引起細(xì)胞液濃度______。 答案：（1）外滲 變大 （2）不變 蔗糖溶液 清水中 （3）乙二醇分子 變大