第二课时 水分及其他物质的跨膜运输
●教学过程
［课前准备］
老师准备——渗透作用的演示实验：剪取一块平整、无裂痕的羊皮纸（或赛璐珞膜，俗称透明纸或玻璃纸，也可以选用动物的膀胱膜、肠衣，蛋壳内膜等材料）作为半透膜，包在长颈漏斗的口上，用橡皮筋扎紧，然后在漏斗颈上套一段乳胶管（约3～4 cm长），将漏斗口朝下平放在桌面上，用吸管吸取加有红墨水的蔗糖溶液，注满漏斗。取一支0.5 mL的移液管，插在乳胶管的另一端并且与漏斗颈相接。将乳胶管的两端用线扎紧。安装完毕，将漏斗移入盛有清水的烧杯中，并且用铁架台固定如图4－1－2所示：
[Ks5u.com]
图4－1－2
实验开始时，选一块色彩鲜艳的纸条贴在移液管上，标明这时的液面位置。几分钟以后，便能够看到明显的实验效果。注意，移液管不能太细，否则液面上升太快。
学生准备——预习实验并写下详细实验方案，复习显微镜的使用方法。
［情境创设］
在上一节课中，我们学习了进行探究实验的一般方法和基本步骤，并且一起分析了“细胞在什么情况下会失水，什么情况下会吸水”的实验设计，那今天我们就来动手做这个探究实验，看我们的假设是否正确。
［师生互动］
1.学生实验，教师指导
大家课前已经做好了预习，实验器材已经发放到大家的桌面上了，下面可以开始动手实验了。注意以下几点：
（1）加蔗糖溶液时不要污染了显微镜。
（2）如果你从盖玻片左侧加蔗糖溶液，接下来加清水时应从右侧加入。
（3）如实记录实验结果，并完成实验评价表（见评价方案）。
（4）实验时间为25分钟，实验结束后要清洗和整理好实验用具。
学生进行实验，老师旁边指导，将实验效果特别好的装片拿到教师显微镜下并通过显微投影投放到大屏幕上展示出来。
2.分析实验结果，得出结论
下面我们看一组同学的实验结果记录，它能否证明我们最初的假设是正确的呢？
中央液泡的大小
原生质层的位置
细胞大小
0.3 g/mL蔗糖溶液
变小
脱离细胞壁
基本不变
清水
逐渐恢复原来的大小
逐渐恢复原来的位置
基本不变
学生：可以，很明显细胞在0.3 g/mL蔗糖溶液下因失水发生了质壁分离，而在清水中因吸水发生了质壁分离的复原。
教师：大家想想，假如没有细胞壁，实验结果会有什么不同，你会联系到之前我们讲的一个什么实验？
学生：细胞会发生破裂，就像之前学的用哺乳动物的红细胞制备细胞膜的实验，红细胞因没有细胞壁，吸水以后会发生破裂。
教师：很好，其实动物细胞也会发生失水和吸水。下面我们看看水分进出哺乳动物红细胞的图片：
图4－1－3 外界浓度与 图4－1－4 外界浓度小 图4－1－5 外界浓度
细胞质浓度相同， 于细胞质浓度， 大于细胞质浓度，
细胞形态正常 细胞吸水膨胀 细胞失水皱缩
那为什么细胞在高浓度的溶液中就会失水呢？原理是什么呢？我们接下来看下面的演示实验。
3.渗透作用
演示“渗透作用实验”——介绍实验装置，指导观察实验结果：
在这个装置中（图见［课前准备］），①倒置漏斗内的是蔗糖溶液（为了便于观察，可加入少量红墨水），烧杯中的是清水。②漏斗口上扎的是玻璃纸（或肠系膜，或蛋壳膜，或鱼鳔），它的特点是一些小分子如水分子可以自由通过，而大分子如蔗糖分子则不能通过，我们把它叫半透膜。③实验之初，漏斗内液面位置我们用一个标志环标示出来了。
图4－1－6
大家看现在液面发生了什么变化？为什么会发生这种变化呢？
通过多媒体动画演示突破难点：
①蔗糖分子不能自由通过半透膜而水分子可以。②两侧的水分子都在运动。③由于下侧（烧杯内）的水分子数量多（相对浓度大），所以由下侧进入上侧（漏斗内）的水分子比由上侧进入下侧的水分子多。④整体表现为水分子由烧杯通过半透膜进入了漏斗。
这种水分子透过半透膜的运动叫渗透作用。这个装置叫渗透装置。
大家总结一下，渗透作用的发生必需的条件有哪些？
引导学生回答：①要有半透膜；②半透膜两侧的溶液浓度不同。
那漏斗内的液面会一直升高吗？
学生：不会，当两侧水分子的数量同时达到一种动态的平衡时，漏斗内液面不再上升。
教师：我们再回到细胞的失水与吸水，那一个细胞相当于一个渗透系统吗？它具备渗透作用的发生必需的条件吗？（展示植物细胞结构图P61图4－2）
从图中可以看出原生质层相当于半透膜，一些分子可以自由通过，一些分子不能自由通过，但由于原生质是具有生命活性的物质，它又与物理意义的半透膜（如玻璃纸也是半透膜）是有区别的。下面我们看看物质跨膜运输的其他实例。
4.半透膜与选择透过性膜
学生阅读课本P63的“资料分析”，并进行讨论：
（1）水稻培养液里的Ca2+和Mg2+浓度为什么会增高？说明什么？
学生：水稻吸收水分和其他离子多，而吸收Ca2+和Mg2+较少。
（2）不同作物对无机盐的吸收有差异吗？
学生：有明显差异，水稻吸收大量的Si4+而番茄几乎不吸收。番茄吸收Ca2+和Mg2+较多。
（3）水分子跨膜运输是顺相对含量梯度的，其他物质也是这样的吗？
学生：不是的，比如水稻吸收Si4+，这是根据生物生命活动的需要。
（4）细胞对物质的吸收有选择吗？如果有，这种选择有普遍性吗？
学生：是有选择性的，因为不同生物吸收的离子的量是各不相同的；这种选择也是有普遍性的，如不同微生物对不同矿物的吸收表现出较大的差异。
教师：所以，细胞膜并不是单纯物理意义的半透膜，它是有生理活性的，能对一些物质进行选择性通过，这叫选择透过性膜。
［教师精讲］
典型的渗透装置必须具备两个条件：一是具有半透膜；二是半透膜两侧的溶液具有浓度差。细胞主要通过渗透作用从外界吸收水分，当水分进入细胞时，人必须通过细胞壁和原生质层，细胞壁是全透性的，原生质层由于细胞膜和液泡膜是选择透过性膜，因此可以看作一层选择透过性膜。这里，往往造成概念错误，把选择透过性膜当作半透膜。事实上，两者之间是有区别的。
渗透作用原先是一种物理和化学现象。化学中的半透膜是指只允许某种混合物中的一些物质透过，而不容许另外一些物质透过的薄膜，如膀胱膜、动植物细胞的细胞膜；物理中的半透膜是指只允许某种混合物（溶液、混合气体）中的一些物质透过，而不允许另一些物质透过的薄膜，例如动物的膀胱、动植物细胞膜；生物上的半透膜是指只让溶剂分子透过而不让溶质分子透过的薄膜，如膀胱膜等。从上述概念中可以看出，半透膜是指只允许某些分子（或离子）透过而不让别的分子（或离子）透过的膜。植物生理学中通过杜南氏平衡不消耗能量使某种离子在细胞内累积的现象是用半透膜理论来解释的。由于植物细胞的质膜是一个半透膜，细胞内含有一些大分子带电化合物（如蛋白质），这些蛋白质带负电而又不能向细胞外扩散，但它可与一些阳离子形成盐（如K+），当把这种细胞放于KCl溶液中，如果细胞内没有Cl－，则Cl－进入细胞内，同时K+也跟着进入细胞内以保持细胞内外一定的电位差，最后达平衡时细胞内的K+远远高于细胞外。细胞膜选择透性是由于膜上具有一些吸收与运输物质的载体。一般认为这种载体是蛋白质大分子，它有专门运送物质的功能。因不同植物细胞膜含有不同类型的载体，同一细胞膜上对不同物质的载体性质不同，数量也不同，甚至对同一种盐类的阳离子与阴离子的透过酶也不同，因而表现了细胞膜的高度选择性。细胞通过选择透性膜吸收物质时需要消耗能量，故称为主动吸收。细胞死亡时膜便失去选择透过性，成为全透性。由此可见半透性膜与选择透性膜是两个明显不同的概念。
［评价反馈］
1.实验过程性评价
实验名称
探究植物细胞在什么情况下失水和吸水
姓名
评价项目
自评
小组互评
老师评价
1.能熟练制作洋葱表皮临时装片
2.能熟练正确操作显微镜
3.整个实验进程有序紧凑
4.实验效果明显
说明：评价采用“A、B、C、D”四个等级
2.精选练习
（1）放在0.3 g/mL的蔗糖溶液中，会发生质壁分离的细胞是
A.人的口腔上皮细胞 B.干种子细胞ks5u.com
C.洋葱根尖分生区细胞 D.洋葱表皮细胞
（2）甜菜块根细胞的液泡中有花青素，使块根为红色。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，则能使溶液变红。这是因为
A.细胞壁被盐酸破坏 B.盐酸破坏了细胞膜的选择透过性[高考资源网]
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
（3）当把紫色的洋葱鳞片叶的表皮置于质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液中后，原生质层和细胞壁之间将
A.紧紧靠在一起 B.充满细胞液
C.充满蔗糖溶液 D.充满清水
（4）图4－1－7中a、b、c表示某植物体的三个相邻的细胞，它们的细胞液浓度为a>b>c，它们之间的水分渗透方向应是
图4－1－7
（5）将洋葱表皮浸泡在7%的尿素溶液中，表皮细胞发生质壁分离，随后又自发地发生质壁分离复原。你能解释其原因吗？
（6）将洋葱表皮细胞放入一定浓度的硝酸钾溶液中，其细胞便发生质壁分离，不久这些细胞又逐渐发生质壁分离复原，你能解释其原因吗？
参考答案：
（1）D〔动物细胞没有细胞壁不能发生质壁分离，干种子和根尖分生区细胞（没有形成大的中央液泡）主要以吸胀方式吸水〕
（2）C（盐酸破坏了原生质层，选择性功能丧失，液泡中的花青素渗出。B选项不全面）
（3）C（细胞壁是全通透的）
（4）C（根据水分由浓度低的溶液向浓度高的溶液渗透的原理来判断）[Ks5u.com]
（5）因为尿素通过细胞膜的方式是自由扩散，即尿素可在不需要载体、不需要能量的情况下，完全依靠膜两侧的尿素分子的浓度差过膜移动，所以，在洋葱表皮细胞失水而发生质壁分离的同时，尿素分子会顺着浓度差向细胞液内扩散，从而使得在尿素溶液中质壁分离的速率与在相同浓度的蔗糖液中相比要慢一些，当细胞液浓度由于尿素不断增多而与外界尿素溶液浓度一样时，由于细胞本身失水而使细胞液总的浓度高于外界尿素液浓度，从而自发地发生质壁分离复原现象。
（6）当硝酸钾溶液的浓度大于洋葱表皮细胞的细胞液浓度时，细胞液中的水分会更多地向细胞外移动，表现为细胞失水，从而发生质壁分离现象；而后，由于植物细胞可主动运输硝酸根离子和钾离子，使这两种离子进入细胞，结果导致硝酸钾溶液的浓度降低，细胞液浓度升高，当细胞液的浓度大于硝酸钾溶液的浓度时，植物细胞会吸水，从而表现出质壁分离复原的现象。
［课堂小结］
本节课我们通过实验探究了植物细胞在什么情况下失水和吸水，并且学习了其失水和吸水的原理是渗透作用。细胞膜是一种半透膜，一些小分子可以自由通过，一些分子则不能自由通过，但细胞膜又不是纯物理意义上的半透膜，它是有生理活性的，能对一些离子和小分子进行选择性通过。所以细胞膜更是一种选择透过性膜。
那为什么会有选择性呢？细胞膜是靠什么机制来对不同的物质进行选择的呢？这就跟细胞膜的结构有密切的关系，下节课我们再来学习细胞膜的结构特点。[高考资源网]
［布置作业］
课后探讨课本P64“与社会的联系”中的问题。
［课后拓展］
质壁分离法测定细胞的渗透势实验
实验原理
将植物组织置于对其无毒害的一系列不同浓度的溶液里处理一定时间，然后镜检发生质壁分离的细胞数，通常把视野中有50％的细胞发生质壁分离时定为初始质壁分离，细胞初始质壁分离时压力势为零，因而可把引起细胞初始质壁分离的外界溶液称之为等渗溶液，其溶液具有的渗透势即为细胞的渗透势。由于很难正好找到引起50％细胞发生质壁分离的浓度。因此通常用插值法求得等渗溶液浓度，代入公式即可计算渗透势。
器材与试剂
器材：显微镜，载玻片，盖玻片，镊子，刀片，培养皿（或具塞试管），记号笔，滴管。
试剂：蔗糖。
方法与步骤
（1）配制质量浓度为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mol/L蔗糖溶液，放于6个试剂瓶中，必要时配制溶液浓度可相差≤0.05 mol。
（2）取6套干净清洁的小培养皿，用记号笔编号，将配制好的不同浓度的蔗糖溶液按顺序倒入各个培养皿中使之成一薄层，盖好培养皿盖。
（3）将带有色素的植物组织或叶片（可选用有色素的洋葱鳞片的外表皮，紫鸭跖草，蚕豆，小麦，玉米等叶的表皮）撕取表皮分别迅速投入各种浓度的蔗糖溶液中，每个培养皿中放3块左右材料，使其完全浸没，浸泡20～40分钟。
（4）到时间后，取出表皮，放在载玻片上，滴一滴相同浓度的蔗糖，盖上盖玻片，在显微镜下观察质壁分离的细胞数和细胞总数，找出引起50％细胞发生质壁分离的外界溶液浓度，即为细胞渗透浓度值。
●板书设计
第二课时 水分及其他物质的跨膜运输
一、渗透作用：水分子是顺着水分子的相对含量的梯度跨膜运输的
两个条件：1.要有半透膜 2.半透膜两侧的溶液浓度不同
二、离子的跨膜运输并不是顺着离子相对含量的梯度来进行的
细胞膜是一种选择透过性膜
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