資源簡介

第二節　細胞通過分化產生不同類型的細胞
說明在個體發育過程中,細胞在形態、結構和功能方面發生特異性的分化,形成了復雜的多細胞生物體。
　1.比較分析不同細胞形態差異的外在與內在表現,歸納、概括細胞分化的實質。
　2.分析細胞全能性的實例,歸納細胞全能性的概念。
　3.針對特定的現象,理性分析、討論與細胞分化相關的社會議題。
一、細胞能產生特異性變化
1.細胞分化
細胞在形態、結構和功能上發生持久的、差異性變化的過程稱為細胞分化。
2.干細胞
干細胞是一類可以分化成為各種細胞的未分化細胞。不同干細胞的分化潛能是不同的。
(1)受精卵是全能干細胞,因為它能產生生物體所需要的所有類型的細胞。
(2)來源于早期胚胎的胚胎干細胞是多能干細胞,它的分化能力僅次于受精卵,雖不能發育成完整的個體,但可以發育成為除部分胎盤以外的所有成體組織。
(3)主要存在于骨髓中的造血干細胞,能夠分化成各種血細胞(紅細胞、白細胞和血小板等),也能分化出造血系統以外的細胞。
3.細胞分化的原因
細胞分化并非由于遺傳物質丟失造成的,它與遺傳物質有選擇地發揮作用有關。
4.細胞分化的特點
(1)持久性。
(2)普遍性。例如根尖中各種細胞都是由分生區細胞分化形成的。
(3)穩定性和不可逆性。正常情況下,細胞分化是不可逆的,一旦沿著一定方向分化,便不會返回原來的狀態。
5.意義
生物的個體發育就是通過細胞的分化過程來實現的。生物體的正常發育,是細胞分化受到高度精妙調控的結果。前述的細胞癌變是細胞異常分化,導致細胞不受控制地分裂。
如圖為細胞分化的實質圖示,請據圖思考并回答以下問題。
1.分化后的細胞,如紅細胞、口腔上皮細胞等,所含有的基因相同嗎 為什么
提示:相同。不同形態的細胞都是受精卵經分裂、分化形成的,具有相同的遺傳物質,都具有圖示中的A、B、C、D、E基因,即所含基因相同。
2.為什么分化后的細胞在形態、結構及功能上出現了比較大的差異
提示:據圖分析,在不同細胞中,基因開啟和關閉的情況不同,基因有選擇地表達(開啟和關閉),造成了細胞形態、結構及功能上的差異。
二、細胞具有全能性
　已分化的植物細胞和動物細胞的細胞核具有全能性的原因是什么
提示:已分化的植物細胞和動物細胞的細胞核都具有本物種遺傳所需的全套基因(遺傳物質)。
[自主學習檢測]——教材基礎熟記于心
1.細胞分裂使細胞數量增多,是個體生長的基礎;細胞分化使細胞種類增多,是個體發育的基礎。個體生長發育是細胞分裂和細胞分化共同作用的結果。(　√　)
2.在細胞分化過程中發生改變的是細胞的形態、結構和功能,未發生改變的是細胞核內遺傳物質。(　√　)
3.細胞分化是遺傳物質選擇性丟失造成的,它與遺傳物質有選擇地發揮作用無關。(　×　)
提示:細胞分化遺傳物質不變,與遺傳物質有選擇地發揮作用有關。
4.所有干細胞都要發生分化。干細胞分裂后只有一部分細胞發生分化。(　×　)
提示:并非所有干細胞都要發生分化。干細胞分裂后一部分細胞發生分化,成為具有特定功能的組織細胞;還有一部分保持分裂能力,用于干細胞本身的自我更新。
5.植物體上的細胞沒有表現出全能性,而是分化成了不同的組織和器官,這說明植物細胞全能性的表達需要在離體條件下并需要一定的外界條件。(　√　)
任務一　探究細胞分化的實質
[任務突破1]
細胞分化實質的分析
(1)細胞分化的圖示模型分析。
(2)細胞分化的意義。
細胞分化是個體發育的基礎。個體發育是通過細胞增殖、生長和細胞分化來實現的。 細胞增殖只能使細胞的數目增多,細胞生長只能使細胞體積增大。只有通過細胞分化才能產生不同形態、不同結構、不同功能的細胞,使細胞功能趨向專門化,由這些不同的細胞再構成組織,進而形成器官、系統,提高了各種生理功能的效率。
(3)細胞分化的標志。
①從細胞水平分析:細胞的形態、結構和功能發生改變。
②從亞顯微結構水平分析:細胞器的種類、數目及細胞溶膠成分和功能發生改變。
③從分子水平分析。
蛋白質角度:蛋白質種類、數量、功能發生改變。
基因角度:即遺傳物質有選擇地發揮作用,這是細胞分化的根本原因。
[遷移應用]
[典例1-1] (2022·金華十校高一期末)下圖為發生在人體內的某一過程。下列敘述錯誤的是(　B　)
A.該過程屬于細胞分化
B.該過程具有一定的方向性,且通常是可逆的
C.該過程與遺傳物質有選擇地發揮作用有關
D.圖中各類細胞的遺傳物質一般相同
解析:題圖中表示造血干細胞分化為血小板、淋巴細胞和吞噬細胞的過程,該過程表示細胞分化;發生在人體內的細胞分化是不可逆的;細胞分化的實質是遺傳物質有選擇地發揮作用;細胞分化不改變細胞的遺傳信息,因此圖中各類細胞的遺傳物質一般相同。
[任務突破2]
干細胞的分類及應用
(1)干細胞的分類。
分類方式 干細胞類型 特點
按來源 分類 胚胎干細胞 具有發育全能性,在理論上可以誘導分化為機體中所有種類的細胞
成體干細胞 能夠自我更新并且能夠特化形成組成該類型組織的細胞
誘導多功 能干細胞 人工方法誘導已完成分化的成熟細胞“去分化”
不同的分化潛能分類 全能干細胞 能分化形成任何類型細胞及完整個體
多能干細胞 可以發育成為除部分胎盤以外的所有成體組織,但失去了發育成完整個體的能力
專能干細胞 只能向單一方向分化,產生一種類型的細胞
(2)干細胞的應用。
①利用干細胞誘導分化成各種細胞、組織、器官,作為移植的來源。
②探討胚胎發育的調控機制。
③作為疾病基因治療的載體。
④體外整合外源基因,研究基因功能。
[遷移應用]
[典例1-2] 干細胞有著廣泛的應用前景。下列相關敘述錯誤的是(　A　)
A.干細胞就是從胚胎中分離提取的細胞
B.不同類型的干細胞的分化潛能有差別
C.胚胎干細胞可以在體外分化成心肌細胞、神經元和造血干細胞
D.產生的特定細胞,可以用于新藥測試
解析:干細胞不一定是從胚胎中分離提取的細胞,如造血干細胞是從骨髓中分離得到的;不同類型的干細胞的分化潛能有差別,如胚胎干細胞的分化潛能大于造血干細胞;胚胎干細胞具有發育的全能性,因此可以在體外分化成心肌細胞、神經元和造血干細胞;可以通過誘導干細胞分化,產生特定細胞用于新藥測試。
任務二　細胞的全能性分析
[任務突破]
比較細胞分化與細胞全能性
項目 細胞分化 細胞全能性
原 理 細胞內基因有選擇地發揮作用 細胞中含有本物種全套遺傳物質
特 點 ①持久性:細胞分化貫穿于生物體整個生命進程中; ②穩定性和不可逆性:一般來說,分化了的細胞將一直保持分化后的狀態,直至死亡; ③普遍性:生物界中普遍存在,是生物個體發育的基礎 ①高度分化的植物體細胞具有全能性,植物細胞在離體的情況下,在一定的營養物質、激素和其他適宜的外界條件下,才能表現其全能性; ②動物已分化的體細胞全能性受限制,但細胞核仍具有全能性,如動物克隆技術
結 果
大 小 比 較 細胞分化程度有高低之分,體細胞>生殖細胞>受精卵 細胞全能性有大小之分,受精卵>生殖細胞>體細胞
關 系 ①兩者的遺傳物質都不發生改變;②一般細胞的分化程度越高,具有的全能性越小(生殖細胞分化程度高,全能性也高)
[遷移應用]
[典例2] 分析以下事實:①胡蘿卜韌皮部細胞通過組織培養能發育成完整植株;②綿羊乳腺細胞核移入去核卵細胞中,融合細胞能發育成有生殖能力的綿羊。基于以上事實,下列選項錯誤的是(　A　)
A.高度分化的動植物細胞都具有全能性
B.高度分化的動物細胞核具有全能性
C.分化細胞中不表達的基因仍存在于細胞核中,并未消失
D.高度分化的植物細胞具有全能性
解析:事實②說明動物細胞的細胞核具有全能性,不能證明高度分化的動物細胞具有全能性;綿羊乳腺細胞核移入去核卵細胞中,融合細胞能發育成有生殖能力的綿羊,這說明高度分化的動物細胞核具有全能性;細胞分化的實質是基因有選擇地發揮作用,遺傳物質沒有丟失,因此分化細胞中不表達的基因仍存在于細胞核中,并沒有消失;事實①說明高度分化的植物細胞具有全能性。
基礎達標練
1.(2022·七彩陽光新高考研究聯盟高一期中)2017年中國科學院上海神經科學研究所利用體細胞核移植技術成功地克隆出兩只克隆猴“中中”和“華華”。克隆猴的成功證明了已經分化的動物細胞的細胞核具有(　A　)
A.全能性 B.統一性
C.多樣性 D.穩定性
解析:克隆猴“中中”和“華華”,是將體細胞核移植到去核的卵細胞中培育成的,這說明已分化的動物體細胞的細胞核具有發育成本物種的全套的遺傳物質,具有全能性。
2.(2022·精誠聯盟適應考)正常人體內的造血干細胞能產生各種血細胞,在體外某些因素的誘導下卻可以分化為神經細胞和肝細胞。從本質上講,說明造血干細胞(　D　)
A.具有分裂能力
B.容易發生基因突變
C.分化能力強
D.具有與受精卵相同的全套遺傳物質
解析:造血干細胞能產生各種血細胞是細胞分化的結果,原因是遺傳物質有選擇地發揮作用。在體外某些因素的誘導下卻可以分化為神經細胞和肝細胞。從本質上講,說明造血干細胞具有與受精卵相同的全套遺傳物質。
3.研究人員嘗試打開皮膚細胞中與大腦細胞功能相關的基因并關閉無關基因,以誘導皮膚細胞轉變成腦細胞。該過程模擬了下列生命活動中的(　C　)
A.細胞分裂 B.細胞生長
C.細胞分化 D.細胞變形
解析:打開皮膚細胞中與大腦細胞功能相關的基因并關閉無關基因,這是基因有選擇地發揮作用,因此模擬的是細胞分化過程。
4.(2022·山水聯盟聯考)下列實例可以說明動物細胞也具有全能性的是(　B　)
A.皮膚傷口愈合 B.雄蜂的產生
C.克隆羊多莉的培育 D.蠑螈斷尾的再生
解析:皮膚劃破后傷口重新愈合,沒有形成完整個體,因此不能體現細胞具有全能性;蜜蜂的未受精卵細胞發育成雄蜂,形成了完整個體,這說明動物細胞也具有全能性;克隆羊多莉的培育只能體現動物細胞的細胞核具有全能性;蠑螈斷尾的再生,即蠑螈斷尾后重新長出尾部,沒有形成完整個體,不能體現動物細胞的全能性。
5.(2022·浙江7月學考)人體內的各種血細胞均起源于造血干細胞,造血干細胞增殖失控、分化障礙等會引發白血病。骨髓移植是目前治療白血病的有效方法,原因是植入的造血干細胞可在患者體內(　D　)
A.迅速發生衰老并凋亡
B.癌變成無限增殖的細胞
C.不斷長大成為巨型細胞
D.增殖并分化出各種血細胞
解析:分析題意可知,造血干細胞增殖失控、分化障礙等會引發白血病,而人體內的各種血細胞均起源于造血干細胞,故植入的造血干細胞可在患者體內增殖并分化出各種血細胞,能夠正常執行功能,從而治療白血病。
6.(2022·Z20名校聯盟聯考)臍帶血中含有豐富的造血干細胞,可用于重建人體造血和免疫系統。下列敘述正確的是(　B　)
A.分化過程中遺傳物質發生改變
B.紅細胞和免疫細胞在結構功能上存在差異
C.造血干細胞的全能性大于胚胎干細胞
D.造血干細胞具有無限增殖的能力
解析:分化過程中遺傳物質不改變,與基因有選擇地發揮作用有關;紅細胞和免疫細胞是經分化產生的不同細胞,在結構功能上存在差異;胚胎干細胞的分化程度比造血干細胞低,因此其全能性比造血干細胞的全能性高;造血干細胞是正常細胞,不具有無限增殖的能力,癌細胞才具有無限增殖的能力。
7.下列關于細胞分化及細胞全能性的敘述,錯誤的是(　A　)
A.受精卵、動物和人體的早期胚胎細胞、植物體的分生組織細胞沒有發生分化,所以沒有全能性
B.細胞分化使多細胞生物體中的細胞趨向專門化,有利于提高生物體各種生理功能的效率
C.細胞分化是一種持久性的變化,一般來說,分化的細胞將一直保持分化后的狀態,直至死亡
D.一般來說,細胞的分化程度越高,全能性就越小
解析:受精卵沒有發生分化,具有全能性,動物和人體的早期胚胎細胞、植物體的分生組織細胞已經發生分化,但仍具有全能性;細胞分化使多細胞生物體中的細胞趨向專門化,有利于提高生物體各種生理功能的效率;細胞分化是一種持久性的變化,一般來說,分化的細胞將一直保持分化后的狀態,直至死亡;一般來說,細胞的分化程度越高,全能性就越小。
8.(2022·麗水高一期末)科學家通過一定的方法將小鼠的體細胞誘導為iPS細胞。該類型細胞能發生如圖所示的變化,則推斷iPS細胞(　C　)
A.屬于受精卵 B.屬于衰老細胞
C.能分裂分化 D.能發育成小鼠幼體
解析:由圖可知,iPS細胞能夠增殖分化成甲狀腺細胞、肌細胞、神經細胞和肝臟細胞,屬于多能干細胞,是具有分裂和分化能力的細胞。
9.中國科學家將人皮膚纖維母細胞誘導成為多能干細胞,如圖中①②代表過程,甲～戊代表不同的細胞,下列相關敘述錯誤的是(　D　)
A.甲的全能性比乙小
B.乙具有分裂和分化能力
C.甲、乙、丁、戊細胞中都含有血紅蛋白基因
D.②過程中細胞的形態結構和遺傳物質發生穩定性變化
解析:甲為人皮膚纖維母細胞,已經高度分化,而乙為多能干細胞,保留分裂和分化能力,因此甲的全能性比乙小;乙為多能干細胞,保留了分裂和分化能力;甲人工誘導分化成乙,而乙又分化出丙、丁、戊細胞,細胞分化前后遺傳物質保持不變,因此甲、乙、丁、戊細胞中都含有血紅蛋白基因;②過程屬于細胞分化過程,細胞的形態結構發生變化,但遺傳物質一般沒有改變。
10.(2022·浙江十校聯考)在細胞的生命歷程中,會出現分裂、分化等現象。下列敘述錯誤的是(　B　)
A.細胞的有絲分裂對生物性狀的遺傳有貢獻
B.哺乳動物的造血干細胞是未經分化的細胞
C.細胞分化是細胞內遺傳物質有選擇地發揮作用的結果
D.通過組織培養可將植物葉肉細胞培育成新的植株
解析:哺乳動物的造血干細胞是已經分化的細胞,只是仍具有分裂與分化能力。
11.如圖是某細胞分裂和分化的概念圖,據圖回答下列有關問題。
(1)圖中A表示的是　　　　 　　過程,圖中B表示的是　　　　 　　過程。
(2)圖中b、c、d、e具有相同的　　　　　　。
(3)若e能合成血紅蛋白,則b、c、d都　　　 　(填“能”或“不能”)合成,其主要原因是　 　。
(4)若a為植物細胞,而d能在體外條件下培養成一個植物體,說明d具有　　 　　性。
(5)若a、b、c、d、e這五個細胞相比,哪一個細胞的全能性是最大的 　　 　　。
解析:分析圖示可知,圖中A表示細胞分裂過程,圖中B表示細胞分化過程;分化過程中遺傳物質不變,故b、c、d、e具有相同的遺傳物質;
e能合成血紅蛋白,一般而言,b、c、d都不能合成,原因是遺傳物質有選擇地發揮作用(細胞分化)造成不同細胞在結構、功能和生理狀態上存在差異,b、c、d控制合成血紅蛋白的基因處于關閉狀態;植物細胞在體外條件下培養成一個植物體說明其具有全能性;細胞分化程度越高,全能性越小,故全能性最大的是細胞a。
答案:(1)細胞分裂　細胞分化　(2)遺傳物質　(3)不能　 控制合成血紅蛋白的基因處于關閉狀態　(4)全能　(5)a
12.科學家將取自胡蘿卜根部的單個細胞進行體外培養,可以得到完整的新植株,過程如圖,①～⑥表示操作順序。請回答下列問題。
(1)①和②表示將胡蘿卜根的一部分分離成單個細胞,③表示單個細胞進行有絲分裂,分裂后產生的每個細胞染色體數目　　　　(填“相同”或“不同”)。
(2)愈傷組織經過④形成胚狀體的過程中,細胞在形態、結構和功能上逐漸向不同方向發生變化,這種現象稱為　　　　　　。在此過程中,不同種類的細胞中遺傳信息的表達情況不同,即　　　　　　　　　。
(3)本實驗說明胡蘿卜根細胞仍具有發育成完整有機體的潛能,這就是細胞的　　　　　　　。
(4)將白色綿羊體細胞核移入黑色綿羊的去核卵細胞中,培育出了克隆羊多莉,而單獨培養白色綿羊的體細胞則不能得到完整新個體,說明 　。
解析:(1)有絲分裂過程染色體經過復制后均分,單個細胞進行有絲分裂,分裂后產生的每個細胞染色體數目相同。
(2)愈傷組織經過④形成胚狀體的過程中,細胞在形態、結構和功能上逐漸向不同方向發生變化,這種現象稱為細胞分化。在此過程中,不同種類的細胞中遺傳信息的表達情況不同,即基因有選擇地發揮作用。
(3)本實驗說明胡蘿卜根細胞仍具有發育成完整有機體的潛能,這就是細胞的全能性。
(4)將白色綿羊體細胞核移入黑色綿羊的去核卵細胞中,培育出了克隆羊多莉,而單獨培養白色綿羊的體細胞則不能得到完整新個體,說明動物體細胞的細胞核具有全能性,而動物體細胞的全能性表現受到限制。
答案:(1)相同
(2)細胞分化　基因有選擇地發揮作用
(3)全能性
(4)動物體細胞的細胞核具有全能性,而動物體細胞的全能性表現受到限制
綜合提升練
13.有人取同種生物的不同類型細胞,檢測其基因表達,結果如圖。下列有關圖示的分析正確的是(　C　)
A.在基因1～8中,控制核糖體蛋白質合成的基因最有可能是基因5
B.若基因1～8中有一個是控制細胞呼吸酶的基因,則最可能是基因7
C.功能最為近似和差異最大的細胞分別是1與6、5與7
D.細胞分化使不同細胞中蛋白質完全不同,從而導致細胞的形態和功能各不相同
解析:蛋白質是生命活動的主要承載者,合成場所是核糖體,而2基因在每種細胞中都表達,所以控制核糖體蛋白質合成的基因最有可能是基因2;細胞呼吸酶基因在每種細胞中都表達,所以最可能是基因2;據圖分析,細胞1表達1～5基因,細胞6表達2～5基因,表達的相同基因最多,差異表達的基因最少,則細胞1和細胞6基因表達最相似,差異最大的是細胞5和細胞7;細胞分化的實質是基因有選擇地發揮作用,但某些基因在各細胞中均表達,如呼吸酶基因等,故細胞分化使不同細胞中蛋白質不完全相同。
14.干細胞移植現已成為治療糖尿病的一種臨床新技術。自體骨髓干細胞植入胰腺組織后可分化為胰島樣細胞,以替代損傷的胰島細胞,達到治療糖尿病的目的。下列敘述正確的是(　D　)
A.骨髓干細胞分化為胰島樣細胞只有細胞分化過程
B.骨髓干細胞與胰島樣細胞大部分基因相同,所以可以表達出相同的蛋白質
C.在體外培養的條件下,骨髓干細胞經過分化形成胰島樣細胞可以體現細胞的全能性
D.骨髓干細胞比胰島樣細胞全能性高,分化程度低
解析:骨髓干細胞分化為胰島樣細胞包括細胞分裂和細胞分化過程;骨髓干細胞與胰島樣細胞是由同一個受精卵經分裂分化形成的,它們所含基因都相同;細胞全能性是指已經分化的細胞,仍然具有發育成完整生物體的潛能,只分化成胰島樣細胞不能體現細胞的全能性;骨髓干細胞比胰島樣細胞全能性高,分化程度低。
15.細胞中的基因可分為管家基因(所有細胞中均要表達的基因)和奢侈基因(不同類型細胞中特異性表達的基因)兩類,如表為人體三種不同細胞中的基因存在及表達情況。請回答下列問題。
項目 基因存在情況 基因表達情況
甲 乙 丙 丁 甲 乙 丙 丁
胰島β細胞 √ √ √ √ √ √
眼晶狀體細 胞(胚胎中) √ √ √ √ √ √
神經細胞 √ √ √ √ √ √
(1)四種基因中可能屬于管家基因的是　　　　。
(2)甲基因　　　　(填“能”或“不能”)表示控制胰島素合成的基因,理由是　 　。
(3)由以上分析可知,細胞分化的實質是　　　　(填“管家基因”或“奢侈基因”)有選擇地發揮作用。細胞分化的結果是　 。
(4)三種細胞都有甲、乙、丙、丁四種基因的根本原因是　　　　　　。
解析:(1)四種基因中只有丁基因在所有細胞中都表達,故丁屬于管家基因。
(2)胰島素基因只能在胰島β細胞中表達,因此甲基因能表示控制胰島素合成的基因。
(3)細胞分化的實質是奢侈基因有選擇地發揮作用。細胞分化的結果是形成功能不同的組織。
(4)三種細胞都有甲、乙、丙、丁四種基因的根本原因是細胞分化過程中遺傳物質不變。
答案:(1)丁
(2)能　胰島素基因只能在胰島β細胞中表達
(3)奢侈基因　形成功能不同的組織
(4)細胞分化過程中遺傳物質不變

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