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第2課時　探究植物細胞的吸水和失水與被動運輸
學有目標——課標要求必明 記在平時——核心語句必背
1.說明兩種被動運輸方式的異同。2.嘗試提出問題，作出假設，對探究活動進行設計。3.進行關于植物細胞吸水和失水的實驗設計和操作。 1.植物細胞發(fā)生質壁分離的原因：①外界溶液的濃度大于細胞液濃度；②原生質層的伸縮性大于細胞壁。2.細胞膜和其他生物膜都是選擇透過性膜，選擇透過性是活細胞的一個重要特征。3.被動運輸是物質以擴散方式進出細胞，不需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量，包括自由擴散和協(xié)助擴散。
[主干知識梳理]
一、探究植物細胞吸水和失水
1．實驗原理
(1)成熟的植物細胞的原生質層相當于一層半透膜。
(2)原生質層的內側細胞液與外界溶液可形成濃度差。
2．實驗材料：紫色的洋蔥鱗片葉。
3．實驗試劑：質量濃度為0.3_g/mL的蔗糖溶液，清水。
4．實驗流程
5．實驗結論
(1)當細胞液濃度小于外界溶液濃度時，細胞失水，原生質層和細胞壁分離，發(fā)生質壁分離。
(2)發(fā)生質壁分離的細胞，當細胞液濃度大于外界溶液濃度時，細胞吸水，發(fā)生質壁分離復原。
二、被動運輸
1．概念：物質以擴散方式進出細胞，不需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量，這種物質跨膜運輸方式稱為被動運輸。
2．類型
3．影響因素
(1)被動運輸?shù)乃俾手苯邮苣韧馕镔|濃度梯度大小的影響。
(2)協(xié)助擴散的速率還與轉運蛋白的數(shù)量有關。
[邊角知識發(fā)掘]
1.如圖表示正在進行質壁分離的紫色洋蔥細胞(教材P63圖4 2變形)，請分析：
(1)實驗時一定要選擇紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞嗎？
提示：不一定。但紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞的細胞液中含有色素，使液泡呈現(xiàn)紫色，便于觀察。
(2)b的大小和顏色如何發(fā)生變化？
提示：b逐漸變小，顏色逐漸加深。
(3)當停止質壁分離時，b與c的濃度相等。
2．物質順濃度梯度擴散進出細胞的過程稱為被動運輸，分析圖示及教材P66、67相關內容，回答下列問題：
(1)圖中圓點及圓點多少表示什么含義？
提示：表示細胞內外兩種物質的濃度大小。
(2)圖中，物質通過簡單的擴散作用進出細胞，叫作自由擴散；進出細胞的物質借助轉運蛋白(可分為載體蛋白和通道蛋白兩種類型)的擴散，叫作協(xié)助擴散。
(3)由圖示分析，自由擴散和協(xié)助擴散是順濃度梯度還是逆濃度梯度運輸?shù)模啃枰哪芰繂幔?br/>提示：二者都是順濃度梯度進行的，都不需要消耗能量。
(4)寫出下列物質的跨膜運輸方式
①O2和CO2進出肺泡：自由擴散。
②苯被鼻黏膜細胞吸收：自由擴散。
③紅細胞吸收血液中的葡萄糖：協(xié)助擴散。
④水分子進出根毛細胞：自由擴散或協(xié)助擴散。
⑤膽固醇進入肝細胞：自由擴散。
⑥甘油和乙醇被小腸上皮細胞吸收：自由擴散。
[教材問題提示]
(一)旁欄思考(教材P66)
因為甘油、乙醇等都是脂溶性物質，與磷脂分子有較強的親和力，容易通過磷脂雙分子層出入細胞。
(二)拓展應用(教材P67)
1．提示：可以配制出一系列濃度梯度的蔗糖溶液。將紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞置于配好的各種濃度的蔗糖溶液中，適當時間后用顯微鏡觀察細胞質壁分離情況。記錄剛好發(fā)生質壁分離的細胞所用的蔗糖溶液濃度，以及剛好尚未發(fā)生質壁分離的細胞所用的蔗糖溶液濃度，據(jù)此推算出細胞溶液濃度應介于這兩個濃度之間。
2．假設：溫度變化會影響水分子通過半透膜的擴散速率。
設計實驗提示：可以借用本節(jié)“問題·探討”中的滲透裝置進行實驗。將該滲透裝置置于不同溫度的環(huán)境中，通過比較不同溫度下漏斗管液面上升速度的快慢，判定溫度是否影響水分的擴散速率。實驗中要注意排除各種無關變量的干擾，如置于不同溫度中的漏斗內的蔗糖溶液的量和濃度必須相等，以確保實驗的準確性。
新知探究一　探究植物細胞的吸水和失水
[在探究中學]
[任務驅動]　
如圖是將紫色洋蔥鱗片葉的外表皮細胞先放到0.3 g/mL的蔗糖溶液中(甲)，再放到清水中(乙)的實驗過程的圖解。請分析回答下列問題：
(1)實驗中共涉及三次顯微鏡觀察，其中第一次觀察的目的是什么？
提示：觀察正常洋蔥鱗片葉外表皮細胞的狀態(tài)，以便與處理后的狀態(tài)形成對照。
(2)為什么用紫色洋蔥鱗片葉外表皮作為實驗材料？
提示：紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞的細胞液中有花青素，使液泡中的細胞液呈紫色，有利于觀察。
(3)如果沒有細胞壁，細胞會發(fā)生質壁分離現(xiàn)象嗎？
提示：不會發(fā)生質壁分離現(xiàn)象，只發(fā)生滲透吸水或失水。
(4)本實驗選用0.3 g/mL的蔗糖溶液作試劑，若濃度過高或過低對實驗有何影響？
提示：選用0.3 g/mL的蔗糖溶液作試劑，既明顯出現(xiàn)質壁分離現(xiàn)象，又不會殺死細胞。若濃度過高，質壁分離速度過快，細胞會因失水過多而死亡，不能再進行質壁分離復原；若濃度過低，不能引起質壁分離或質壁分離速度太慢。
(5)發(fā)生質壁分離的洋蔥表皮細胞的原生質層與細胞壁之間是何物質？
提示：因為細胞壁是全透性的，所以洋蔥表皮細胞的原生質層與細胞壁之間是蔗糖溶液。
(6)若用合適濃度的KNO3溶液進行該實驗，結果會發(fā)生質壁分離與復原嗎？
提示：開始外界溶液濃度較大，細胞發(fā)生質壁分離；細胞主動吸收K＋和NO后，隨著細胞液濃度增大，質壁分離后又會自動復原。
[師說重難]　
1．質壁分離實驗中的兩組對照
實驗組 對照組
第一組 經(jīng)質量濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液處理后發(fā)生質壁分離的洋蔥鱗片葉外表皮細胞 自然狀態(tài)下的洋蔥鱗片葉外表皮細胞
第二組 用清水處理后發(fā)生了質壁分離復原的細胞 發(fā)生了質壁分離的洋蔥鱗片葉外表皮細胞
2．質壁分離的條件
(1)從細胞角度分析
①死細胞、動物細胞及未成熟的植物細胞(如根尖分生區(qū)細胞)不發(fā)生質壁分離及復原現(xiàn)象。
②具有中央大液泡的成熟植物細胞可發(fā)生質壁分離及復原現(xiàn)象。
(2)從溶液角度分析
①在一定濃度的溶液(溶質不能透過膜)中只發(fā)生質壁分離現(xiàn)象，不能發(fā)生自動復原現(xiàn)象(只有用清水或低滲溶液處理，方可復原)。
②在一定濃度的溶液(溶質可透過膜)中發(fā)生質壁分離后可自動復原，如甘油、尿素、乙二醇、KNO3溶液等。
③在高濃度溶液中質壁分離現(xiàn)象明顯，但溶液濃度過高時不能發(fā)生質壁分離復原，因為溶液濃度過高，細胞會因過度失水而死亡。
④鹽酸、酒精、醋酸等溶液能殺死細胞，不適于作質壁分離實驗的溶液。
[在應用中悟]
[典例1]　(2020·南昌期中)如圖為某同學利用紫色洋蔥鱗片葉作為實驗材料，觀察植物細胞質壁分離與復原的基本操作步驟。下列相關敘述錯誤的是(　　)
A．第二次觀察(d)和第一次觀察(b)形成對照，第三次觀察(f)和第二次觀察(d)形成對照
B．該實驗用顯微鏡主要觀察原生質層和細胞壁的位置關系、液泡的顏色和大小等
C．如果將蔗糖溶液換成濃度適宜的KNO3溶液，則可以省略e過程
D．增大蔗糖溶液的濃度，實驗效果會更明顯且不影響細胞的活性
[解析]　題圖中共有三次顯微鏡觀察，觀察的指標主要是原生質層和細胞壁的位置關系以及液泡的大小和顏色；第二次觀察與第一次觀察形成對照，第三次觀察與第二次觀察形成對照；如果將蔗糖溶液換成適宜濃度的KNO3溶液，由于在細胞失水的同時，不斷以主動運輸?shù)姆绞将@得K＋和NO，導致細胞液濃度升高，當其大于外界溶液濃度時，細胞開始吸水，從而出現(xiàn)質壁分離自動復原的現(xiàn)象；如果蔗糖溶液的濃度過高，會導致細胞過度失水而死亡。
[答案]　D
[典例2]　(2020·德州期末)將相同的植物根毛區(qū)細胞置于一定濃度的蔗糖溶液或KNO3溶液中后(溶液體積遠大于細胞)，原生質體的體積隨時間的變化如圖所示(最終不再變化)。下列分析正確的是(　　)
A．①是蔗糖溶液中的變化，②是KNO3溶液中的變化
B．原生質體最終體積b與溶液初始濃度無關
C．若用甘油溶液，原生質體的體積變化可與①或②相似
D．①曲線中的細胞，a時刻細胞液濃度最大
[解析]　由分析可知，①是KNO3溶液中的變化，②是蔗糖溶液中的變化，A錯誤；原生質體最終體積b與溶液初始濃度有關，B錯誤；若用甘油溶液，當溶液濃度過高時，原生質體的體積變化可能與②相似，當甘油濃度相對較高時原生質體的體積變化可能與①相似，C正確；①曲線中的細胞，a時刻之前的拐點時細胞液濃度最大，D錯誤。
[答案]　C
■方法規(guī)律
不同外界溶液中植物細胞的變化分析
將成熟的植物細胞依次浸于蒸餾水、物質的量濃度為0.3 mol/L的蔗糖溶液和0.5 mol/L的尿素溶液中，原生質體(即植物細胞中細胞壁以內的部分)的體積隨時間變化如圖，分析如下：
(1)A曲線表示細胞在蒸餾水中：細胞略膨脹，但是由于細胞壁的存在，原生質體的體積不能無限膨脹。
(2)B曲線表示細胞在0.5 mol/L的尿素溶液中：細胞先因滲透失水而發(fā)生質壁分離，后由于尿素能進入細胞，使得質壁分離后的細胞因吸水而自動復原。KNO3、甘油、乙二醇等溶液中也可發(fā)生質壁分離后自動復原現(xiàn)象。
(3)C曲線表示細胞在0.3 mol/L的蔗糖溶液中：蔗糖不能進入細胞，因此質壁分離后細胞不能發(fā)生自動復原。
[在訓練中評]
1.如圖是某同學用紫色洋蔥鱗片葉的外表皮做“探究植物細胞的吸水和失水”的實驗中所觀察到的細胞圖。下列敘述正確的是(　　)
A．圖中①②⑥組成了細胞的原生質層
B．圖中細胞處于質壁分離狀態(tài)，此時⑥處的濃度一定大于⑦處的濃度
C．圖中①是細胞壁，⑥中充滿了外界溶液
D．圖中⑦是細胞液，在細胞發(fā)生質壁分離過程中，其顏色逐漸變淺
解析：選C　圖中①為細胞壁，②(細胞膜)與④(液泡膜)以及二者之間的⑤(細胞質)共同組成了原生質層。由于①(細胞壁)是全透性的，所以⑥處充滿了外界溶液。題圖中的細胞處于質壁分離狀態(tài)但此時細胞不一定正在失水，所以⑦處的濃度不一定小于⑥處的濃度。在質壁分離的過程中⑦(細胞液)失水，所以⑦的顏色應該是逐漸加深。
2．撕取洋蔥外表皮分別放置在一定濃度的蔗糖和KNO3溶液中，細胞失水量的變化情況如圖所示。下列敘述正確的是(　　)
A．曲線甲表示KNO3溶液組細胞的液泡體積的變化
B．a(chǎn)點時，曲線乙中水分子進出細胞達到動態(tài)平衡狀態(tài)
C．b點時，曲線乙中的細胞液滲透壓與實驗初始時相等
D．兩條曲線變化趨勢的差異是因甲、乙溶液濃度不同導致
解析：選B　由曲線分析可知，曲線乙表示KNO3溶液組細胞的液泡體積的變化，A錯誤；a點是個拐點，a點之前細胞失水，a點之后細胞又吸水，所以a點表示曲線乙中水分子進出細胞達到動態(tài)平衡狀態(tài)，B正確；b點時由于K＋和NO大量進入細胞，細胞液滲透壓應大于實驗初始時的滲透壓，C錯誤；兩條曲線變化趨勢的差異是因為細胞能主動吸收K＋和NO，而不能吸收蔗糖分子，D錯誤。
新知探究二　被動運輸?shù)念愋秃吞攸c
[在探究中學]
[任務驅動]　
物質順濃度梯度擴散進出細胞的過程稱為被動運輸，結合下圖分析其特點。
1．對兩種方式進行比較，完成下表
方式 轉運方向 是否需要轉運蛋白 是否消耗能量
方式a 高濃度→低濃度 不需要 不消耗
方式b、c 高濃度→低濃度 需要 不消耗
(1)方式a中，物質通過簡單的擴散作用進出細胞，叫作自由擴散。
(2)方式b、c中，進出細胞的物質借助轉運蛋白(載體蛋白或通道蛋白)的擴散，叫作協(xié)助擴散。
2．膜上的兩種轉運蛋白比較
名稱 轉運對象 特點
載體蛋白 與自身結合部位相適應的分子或離子 每次轉運時都會發(fā)生自身構象的改變
通道蛋白 與自身通道的直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子 轉運分子不需要與通道蛋白結合
[師說重難]　
影響被動運輸?shù)囊蛩?br/>(1)圖A表示的運輸方式是自由擴散，轉運速率主要取決于膜兩側物質的濃度差。
(2)圖B表示的運輸方式可能是協(xié)助擴散，ab段主要受膜兩側濃度差的影響，bc段受到轉運蛋白數(shù)量的限制，運輸速率不能再上升。
[在應用中悟]
[典例1]　水分子以簡單滲透方式通過細胞膜，但擴散速度非常緩慢，科學研究證明，水分子跨越細胞膜的快速運輸是通過細胞膜上的一種水通道蛋白實現(xiàn)的。下列說法錯誤的是(　　)
A．水分子可以以協(xié)助擴散的方式進入細胞
B．水通道蛋白可以使雙縮脲試劑變藍，原因是其具有氨基
C．哺乳動物腎小管、集合管細胞應分布較多的水通道蛋白
D．水通道蛋白可以使水分子通過，但其他分子或離子則不能通過
[解析]　水分子通過水通道蛋白運輸屬于協(xié)助擴散；水通道蛋白能與雙縮脲試劑產(chǎn)生紫色反應，原因是其具有肽鍵；哺乳動物腎小管、集合管對水的重吸收很快，原因是腎小管、集合管細胞上分布有較多的水通道蛋白；水通道蛋白是專門運輸水分子的，其他分子或離子則不能通過。
[答案]　B
[典例2]　如圖表示與自由擴散、協(xié)助擴散有關的圖例或曲線。下列選項中對應正確的是(　　)
A．肺泡上皮細胞吸收氧氣——①④
B．人的成熟紅細胞吸收葡萄糖——②③
C．甘油進出細胞——①③
D．肌肉細胞吸收水——②④
[解析]　①、②表示兩種跨膜運輸方式，分別是自由擴散、協(xié)助擴散，③、④表示兩種影響因素曲線，分別對應自由擴散、協(xié)助擴散。肺泡上皮細胞吸收氧氣的方式是自由擴散，對應①③；人的成熟紅細胞吸收葡萄糖的過程屬于協(xié)助擴散，對應②④；甘油進出細胞的過程屬于自由擴散，對應①③；肌肉細胞吸收水的方式是自由擴散和協(xié)助擴散，可對應①②③④。
[答案]　C
[在訓練中評]
1．甲、乙兩種物質分別以自由擴散和協(xié)助擴散進入細胞，如果以人工合成的無蛋白磷脂雙分子膜代替細胞膜，并維持其他條件不變，則(　　)
A．甲物質的運輸被促進　 B．乙物質的運輸被促進
C．甲物質的運輸被抑制 D．乙物質的運輸被抑制
解析：選D　是否需要轉運蛋白是自由擴散與協(xié)助擴散的區(qū)別。由于人工合成的無蛋白磷脂雙分子膜無蛋白質，也就沒有轉運蛋白，協(xié)助擴散將受到抑制。
2.
如圖表示一種物質的跨膜運輸方式，下列敘述正確的是(　　)
A．該膜中載體蛋白也能運輸蔗糖
B．碘以該方式進入海帶細胞
C．該方式不會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象
D．該方式發(fā)生在被運輸物質從高濃度到低濃度時
解析：選D　據(jù)圖可知，葡萄糖進入細胞需要載體蛋白，而不需要能量，故該跨膜運輸方式為協(xié)助擴散，只能從高濃度一側運輸?shù)降蜐舛纫粋龋豢缒み\輸中的載體蛋白具有專一性，運輸葡萄糖的載體蛋白不能運輸蔗糖；碘進入細胞的方式為主動運輸，而不是協(xié)助擴散；由于膜上運輸相應物質的轉運蛋白數(shù)量是有限的，故該運輸方式會達到飽和。
科學探究——植物細胞質壁分離實驗的應用
1．判斷成熟植物細胞是活細胞還是死細胞
2．測定細胞液濃度范圍
3．比較不同成熟植物細胞的細胞液濃度
4．鑒別不同種類的溶液(如KNO3溶液和蔗糖溶液)
[素養(yǎng)評價]
1．為研究植物細胞質壁分離現(xiàn)象，某同學將某植物的葉表皮放入一定濃度的甲物質溶液中，一段時間后觀察到葉表皮細胞發(fā)生了質壁分離現(xiàn)象。下列說法錯誤的是(　　)
A．該植物的葉表皮細胞是具有液泡的活細胞
B．細胞內甲物質的濃度高于細胞外甲物質的濃度
C．細胞液中的H2O可以經(jīng)擴散進入甲物質溶液中
D．甲物質和H2O能自由通過該葉表皮細胞的細胞壁
解析：選B　具有大液泡的活細胞才能發(fā)生質壁分離；質壁分離過程中，細胞失水，此時，細胞外甲物質的濃度高于細胞內甲物質的濃度；水分子跨膜運輸?shù)姆绞绞亲杂蓴U散、協(xié)助擴散；細胞壁是全透性的，甲物質和H2O能自由通過細胞壁。
2．取生理狀態(tài)相同的某種植物新鮮葉片若干，去除主脈后剪成大小相同的小塊，隨機分成三等份，之后分別放入三種濃度的蔗糖溶液(甲、乙、丙)中，一定時間后測得甲的濃度變小，乙的濃度不變，丙的濃度變大。假設蔗糖分子不進出細胞，則關于這一實驗結果，下列說法正確的是(　　)
A．實驗前，丙的濃度＞乙的濃度＞甲的濃度
B．乙的濃度不變是因為細胞內蔗糖溶液濃度與乙的濃度相等
C．實驗中，細胞與蔗糖溶液間的水分移動屬于協(xié)助擴散
D．甲、丙的濃度變化是由水分在細胞與蔗糖溶液間移動引起的
解析：選D　成熟的植物細胞是一個滲透系統(tǒng)，當外界溶液濃度大于細胞液濃度時細胞失水，發(fā)生質壁分離現(xiàn)象，反之發(fā)生質壁分離復原現(xiàn)象；兩者濃度相等時，吸水量與失水量相等，水分進出達到平衡狀態(tài)。分析實驗結果可知，實驗過程中，甲吸水、乙水分進出平衡、丙失水，所以實驗前甲的濃度＞乙的濃度＞丙的濃度；乙的濃度不變是因為細胞外蔗糖溶液濃度與乙的細胞液濃度相等，水分進出平衡；實驗中細胞與蔗糖溶液間的水分移動屬于自由擴散和協(xié)助擴散；甲、丙的濃度變化是由水分在細胞與蔗糖溶液間移動引起的。
3．(2020·濰坊模擬)用不同濃度的NaCl溶液處理洋蔥鱗片葉外表皮細胞，研究其發(fā)生質壁分離與復原的快慢(時間/s)，結果如下表所示，下列說法正確的是(　　)
NaCl溶液濃度(%) 開始質壁分離時間 完全質壁分離時間 質壁分離最大程度 完全質壁分離復原時間 質壁分離復原程度
0.8 不發(fā)生 不發(fā)生
0.9～1 219 497 ＋ ＞600 ＋
2 46 151 ＋＋ 205 ＋＋
4 27 125 ＋＋＋ 97 ＋＋＋
6 17 76 ＋＋＋＋ 81 ＋＋＋＋
7 濃度≥7%都發(fā)生質壁分離，且所需時間＜13 54 ＋＋＋＋ 濃度≥7%不發(fā)生質壁分離復原
9 38 ＋＋＋＋
11以上 <25 ＋＋＋＋
注：“＋”表示質壁分離與復原的程度。
A．處理的NaCl溶液濃度越高，質壁分離發(fā)生越快，質壁分離程度越大
B．實驗觀察細胞質壁分離與復原的NaCl溶液濃度最好在4%～6%之間選擇
C．洋蔥鱗片葉外表皮細胞的濃度與約7%的NaCl溶液濃度相等
D．若某濃度蔗糖溶液與濃度4%的NaCl溶液滲透壓相當，則在兩種溶液中細胞的質壁分離與復原程度應大致相同
解析：選B　處理的NaCl溶液濃度越高，質壁分離發(fā)生越快，質壁分離程度逐漸增大，到達一定程度將不再變化；當NaCl溶液濃度為0.8%時不發(fā)生質壁分離與復原現(xiàn)象，當NaCl溶液濃度≥7%時質壁分離后將不再復原，實驗觀察細胞質壁分離與復原的NaCl溶液濃度最好在4%～6%之間選擇；當NaCl溶液濃度為0.8%時不發(fā)生質壁分離與復原現(xiàn)象，當NaCl溶液濃度在0.9%～1%時細胞剛發(fā)生質壁分離與復原，所以洋蔥鱗片葉外表皮細胞的濃度與約0.8%的NaCl溶液濃度相等；若某濃度蔗糖溶液與濃度4%的NaCl溶液滲透壓相當，則在兩種溶液中細胞的質壁分離的程度應大致相同，但在蔗糖溶液中不會發(fā)生質壁分離復原。
21世紀教育網(wǎng) www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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