2019-2020年高中生物 （人教大纲版）第一册 第三章　生物的新陈代谢 4植物对水分的吸收和利用(备课资料).doc

2019-2020年高中生物 （人教大纲版）第一册 第三章生物的新陈代谢 4植物对水分的吸收和利用(备课资料) 一、植物的水势 俗话说，“水往低处流”，即由“水位”高处流向“水位”低处。如生根于土壤中的植物，通常，根系吸收的水分沿着茎枝上运到叶子，散失到大气中，水流的大方向是逆着地心引力的。偶尔，雨后叶片吸足了雨水，水分也可沿茎向下流动。在这些例子中，水流方向相对于引力方向来说，颇不一致，但是，如从水势的角度看，都是从“高水势”区域向着“低水势”区域流动，水流方向是一致的。 水势表示水进行扩散、蒸发或被吸附的趋势，它的单位是单位体积的能量，与压力相等，通常用人气压或巴表示(1 bar=0.987 atm)。水势已被广泛作为植物水分状况的基本度量。通常将纯水的水势定为零，以作标准，而溶液中溶质分子降低了水分子的能量，因此溶液与纯水相比就具有负值。 任何含水体系的水势，都要受到能够改变水分子自由能的诸因素的影响。植物细胞的水势则受细胞组分的影响，干燥的种子和分生组织的细胞，依靠其能够吸附水分的物质即衬质(纤维裘、蛋白质、淀粉等)而吸水，即衬质势。成熟的细胞有一个大液泡，含有一定的溶质和水分，依靠其渗透作用而吸水，即渗透势。 1水势和水流 水分的自发流向是由高水势到低水势，并且流到水势相等为止。由此可以理解植物细胞的水分关系和植物整体的水分吸收、传导和散失问题。 细胞的“水势”仅仅标志细胞的水分“状态”，并不标志水分的流动，就是说，并不表示细胞的吸水或失水。标志水分流动的方向和限度的是细胞之间或细胞及其环境之间的“水势梯度”(即水势差)，但它也只是表示水分流动的“可能性”，并不表示水分的实际流动。决定水分实际流动的不仅有水势差，还有阻力差，即两地点之间水分实际的速度，与其水势差应成正比，与阻力差成反比。在活细胞之间(根中，叶中)通过原生质或共质体进行水分流动，阻力很大，所以水分运输距离很短；在质外体部分(细胞壁、细胞间隙、导管)阻力小，因而才可能发生长距离的水分运输。 2水势与根吸水 植物根细胞在土壤中吸取水分，取决于根细胞的水势和土壤溶液的水势高低。只要土壤溶液的水势高于根细胞的水势，根细胞就能从土壤这个复杂溶液中吸取水分；相反，如果土壤中施入过多的化肥，则会使得土壤溶液的水势低于根细胞的水势。这时植物根细胞就不能从土壤中吸取水分，反而会使根细胞的水分向外流出，从而造成对植物的不利影响。 3水势与质壁分离 如果将小片植物组织放于比其液泡更浓的外界溶液中时，外界溶液就是“低水势溶液”，细胞内的水分就会离开细胞，即发生细胞失水，直至原生质体从细胞壁上脱离，并收缩到细胞中央，外界溶液就自由地穿过细胞壁，填充了收缩的原生质和细胞壁之间的空间，即细胞发生了质壁分离：将这样的细胞收入“高水势溶液”中，水分就会从高水势溶液进入细胞，即细胞吸水，可产生质壁分离复原。所以通常所说的“高渗溶液”其实就是“低水势溶液”，所谓“低渗溶液”就是“高水势溶液”。 4水势与蒸腾作用 蒸腾作用的速度，即水蒸气从植物的气孔部分的散失，依赖于气孔开张的大小，叶片内的空气和大气之间水势差，以及空气湍流。大气中的水越少则其水势就越低。当空气为水分所饱和时，其水势为零。空气相对湿度只要下降1或2，水势就会急剧下降，当空气的相对湿度下降至约50时，大气的水势就会下降到负数值。因为叶细胞的水势很少低于-20 bar，水分就会迅速地由细胞之间的半饱和的空气中迅速扩散至干燥的空气中，这些细胞具有与周围细胞处于平衡状态的水势。和植物体中的运动一样，水分子也通过沿着水势梯度的方向移动而离开植物。因为植物顶部水分的散失，使那里的水势低于植物基部的水势，导致了土壤中的水分被根吸收后沿着木质部的导管形成水流，向着水势低的部位运输，直至树木的顶部。 5水势与气孔调节 气孔的大小主要由保卫细胞的膨压运动来调节，而这一运动受水势的影响，即保卫细胞与其邻近细胞间的水势差发生了变化，推动了细胞间的水分转移、细胞体积的改变。近来的研究发现，根系也通过水势控制气孔。甘蔗幼株根系局部受到伤害，若是导管的水势下降得太快，叶片水分会被抽出来沿导管向下倒流，以致叶片细胞体积缩小，立即把气孔被动地拉开，使得蒸腾急剧上升，紧随着叶片的失水过多，气孔又主动地合拢。受伤的根系就这样靠导管上下两端水势差的逆转使得水液倒流，对气孔运动发生了既被动又主动的作用。 土壤植物大气组成了一个连续的体系，植物吸收水分受到这个体系中的水势梯度的影响和调节，因此，植物的水势问题日益受到人们的重视。 二、对“植物细胞的吸水和失水”实验的改进 “植物细胞的吸水和失水”实验是初一生物教学的一个重要实验。通过实验可以使学生了解植物细胞的吸水和失水的不同条件。过去教师常作为演示实验在课堂出示给学生，往往要提前准备好，以防效果不明显。即使这样，教学效果也大受影响，原因是：学生未能参与实验全过程，若作为学生实验，往往由于操作和工具等原因成功率不高，实验效果不理想。 1原因分析 对这个实验的几个步骤和方法进行了分析，认为以下几点值得研究： (1)通常要求用小刀在马铃薯(或萝卜)表面挖一个与橡皮塞直径相同的圆洞，但十有八九挖不圆，再要求这个洞的直径与橡皮塞的直径相同就更难做到了，于是就会出现反复挖洞仍不理想的情况。仅这一环节就会占去不少的实验时间；有人改为打孔器钻洞仍然存在所挖洞的口径与橡皮塞直径难以等同的问题，尤其是学生操作则更难。 (2)由于上述挖洞操作困难，就容易造成橡皮塞与马铃薯(或萝卜)之间的封闭不严，影响实验效果，而且装置带玻璃管的橡皮塞操作学生更难掌握。 (3)由于洞口封闭不严，实验过程中洞内装入的盐水或清水就易在洞口处外溢，这样细胞吸水和失水现象将大受影响。 由此看来，采用简便易行的方法作洞口密封严密的装置是本实验成功的关键。 2改进意见 针对以上情况，我对这个实验作了如下改进。 (1)用一根直径6 mm、长200 mm的玻璃通管作工具直接在马铃薯(或萝卜)表面挖洞。即用手握住玻璃管的一端在马铃薯(或萝卜)表面向纵深方向顺时针钻进，约2 cm深时即将玻璃背迅速拔出，此时钻下的马铃薯(或萝卜)芯块也随玻璃管带出，这样一个与玻璃管外径相等的圆洞一次挖成。 (2)用一段长于200 mm的细铁丝将玻璃通管内的芯块捅出，洗净玻璃通管，再取一段直径为5 mm、长7 mm的乳胶管套在直径为6 mm、长200 mm的玻璃通管一端，直至与管口平齐时止，再将此端竖直插入马铃薯(或萝卜)洞中约1 cm深。做2个同样的装置。再用吸管向两玻璃管内分别加入盐水或清水进行实验。 效果；我们在初一年级4个班共1OO个组中试验，结果在1520 min可见马铃薯(或萝卜)细胞失水现象的有96个组，成功率占96，在3040 min见到马铃薯(或萝卜)细胞吸水现象有的93个组，成功率占93。 后的实验克服了以前的不足，具有以下优点：（1）用直径6mm、长200mm的玻璃管作挖洞工具速度既快洞又圆，学生操作很易成功，用直径5mm、长7mm的乳胶管段套在玻璃通管外面代替胶塞塞入马铃薯（或萝卜）洞中，洞口密封极严，实验中不会有洞口处外溢情况。（2）实验操作简便易行，见效快，所用材料成本低。（3）实验成功率高，了解植物细胞吸水和失水的不同条件的实验目的能理想达到，保证了实验教学效果。注：每组实验完毕应立即将玻璃通管及乳胶管段一起洗干净，以保下组实验成功。三、细胞的吸胀作用一般来说，植物细胞在形成液泡之前的吸水主要是吸胀作用。吸胀作用指原生质、细胞壁、淀粉粒和蛋白质等呈凝胶状态的亲水物质吸水膨胀的现象。如，风干种子萌发时的吸水，分生组织的细胞生长时的吸水等。渗透作用与水分流动的演示实验、植物细胞质壁分离与复原实验的区别。前者漏斗管是开放的，只要漏斗内溶液的浓度高于烧杯内溶液的浓度（这里是清水），漏斗管内的液面将上升；后者在质壁分离的复原（相当于吸水）过程中，细胞是被细胞壁所“封闭”的，水分子渗入到一定程度，液泡膨大，并且通过原生质层施于细胞壁的膨压等于细胞壁的反作用力壁压，这时植物细胞将不再吸水，细胞也不会胀坏，这对保持植物细胞的结构和功能是极其重要的。四、水在植物生命活动中的重要作用植物体的生长发育过程中，每时每刻都离不开水，水对于植物维持正常生命活动具有重要的意义，具体地说：第一，水是原生质的主要成分。原生质的含水量一般在70%90%，使原生质呈溶液状态，保证了旺盛的代谢作用正常地进行，如根尖、茎尖。若含水量减少，原生质便由溶液变成凝胶状态，生命活动就大大减弱，如休眠种子。如果细胞失水过多，可能引起原生质破坏而致死。第二，水分是代谢作用过程的反应物质。光合作用、呼吸作用、有机物质的合成和分解过程中，都有水分子参与。第三，水分是植物对物质吸收和运输的良好溶剂。一般来说，有机物和无机物只有溶解在水中才能被植物吸收，各种物质在植物体内的运输，也要溶解在水中后才能进行。第四，水分能保持植物的固有姿态。由于细胞含有大量水分，能维持细胞的紧胀度，使植物枝叶挺立，便于充分接受光照和交换气体。同时，还可使花朵张开，有利于传粉。第五，水可以调节植物的体温。水具有很高的汽化热和比热，又有较高的导热性，因此水在植物体内的不断流动和叶面蒸腾，能够顺利地散发叶片吸收的热量，保证植物即使在炎热夏季强烈的光照下，也不致被阳光灼伤。五、蒸腾作用的部位植物幼小时，几乎地上部分的全部表面都具有蒸腾作用。随着植物生长，主干和枝条发生木栓化，茎只能通过皮孔向外蒸腾失水，但其量甚微。因此，蒸腾作用绝大部分是在叶片上进行。叶片的蒸腾作用有两种方式：一是角质蒸腾，通过叶片表皮角质层的蒸腾；一是气孔蒸腾，通过叶表面的气孔蒸腾。六、共质体途径和质外体途径共质体是指植物的组织中，细胞的细胞质之间以胞间连丝相互连接而成的一个整体。根尖成熟区表皮细胞中的水分，在相互连通的共质体中，顺着浓度梯度穿过一个个细胞以及这些细胞之间的胞间连丝，向根尖内部运输，这个过程就叫共质体途径。质外体是指植物组织中细胞壁和相邻细胞之间的细胞间隙 。纤维素是细胞壁的主要成分。纤维素具有亲水性，水分可以穿过细胞壁和细胞间隙，向根尖内部运输，这个过程就叫质外体途径。七、范例析与解例1下列现象属于渗透作用的是( )A.萎蔫的菜叶放入清水中恢复原状B.干燥的种子泡在水中膨大C.新鲜的萝卜在空气中变软D.放在盐水中的萝卜变软E.插在瓶中的玫瑰花枝条从瓶中吸水F.烈日下菠菜叶子下垂G.兔的红细胞在浓盐水中皱缩分析：根据渗透作用的定义，溶剂分子通过半透膜的扩散叫做渗透作用。渗透作用的发生必须具备两个条件：一是半透膜，二是半透膜两侧具有一定浓度差的溶液。萎蔫的菜叶在清水中恢复原状，是质壁分离的复原过程，是由于外界水分通过菜叶细胞的原生质层扩散到细胞液中的渗透吸水引起的。由于风干，干燥种子的细胞中基本上只保留了结合水，没有形成细胞内外的浓度差，只能靠组成物质的亲水性通过吸胀作用吸水，新鲜的萝卜在空气中变软是由于细胞内水分的蒸发而非渗透。萝卜在盐水中变软是因渗透失水，细胞发生质壁分离而失去紧张度所致。玫瑰花的枝条吸水是枝条中导管的吸水。动物细胞虽无液泡和细胞液，但在细胞膜内的细胞质是一团蛋白质胶体，也具有一定浓度（渗透压），水分子也可以通过细胞膜发生渗透失水而皱缩，烈日下菠菜叶子下垂是由于蒸腾过度而引起的萎蔫，本题所列发生渗透吸水的是A，而发生渗透作用失水的是D、G。答案：ADG例2下列细胞能发生质壁分离的是( )A.根尖分生区细胞 B.口腔上皮细胞C.根毛细胞 D.干种子细胞分析：质壁分离指的是细胞壁与原生质层相分离的现象，是具有大型液泡的植物细胞因渗透失水的结果。因此，只有具备细胞壁和大型液泡的植物细胞才能发生质壁分离。根尖分生区细胞和干种子细胞均无液泡，口腔上皮细胞无细胞壁和大型液泡，将其置于何种溶液中均不发生质壁分离，而根毛细胞具有大的液泡，将其置于高浓度的溶液中可发生渗透失水而导致质壁分离。答案：C例3植物对矿质元素的吸收和运输的主要动力分别来自( )A.蒸腾作用 B.渗透作用 C.呼吸作用 D.光合作用分析：植物对矿质元素的吸收是一个主动运输的过程，不仅需要载体协助，还需要消耗细胞内的能量，这能量是由根细胞呼吸作用提供的，而矿质元素进入根细胞后随着水分的运输达到植物体的各部分，其动力是蒸腾作用产生的拉力。答案：CA例5在U形管中部，c处装有半透膜（如右图），在a处加入细胞色素c（相对分子质量为1.3万道尔顿的蛋白质）水溶液（红色），b侧加入清水，并使a、b两侧液面高度一致，经过一段时间后，其结果是( )A.a、b两液面高度一致，b侧为无色B.a、b两液面高度一致，b侧为红色C.a液面低于b液面，b侧为红色D.a液面高于b液面，b侧为无色答案：D例6图中E、F、G为3个用半透膜制成的小袋，内盛有溶液甲或乙，上端分别接上口径相同的小玻管，E和F体积相同，G体积较大，三者置于盛有溶液丙的大容器中。原初3个小玻管内的液面高度相同。已知三种溶液的水势高低顺序为溶液甲溶液乙溶液丙。请回答：（1）1小时后，管e和管f的液面升降变化是( )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）下列曲线图中能显示管f和管g内液面可能变化的是( )实线表示针管f，虚线表示管g答案：（1）C （2）D例7用2 mol/L的乙二醇溶液和2 mol/L的蔗糖溶液分别浸浴某种植物细胞，观察质壁分离现象，得到原生质体体积的变化情况如图所示。请回答：（1）原生质体体积在AB段的变化说明：在该段时间内水分从原生质体_，细胞液浓度_。（2）在1分钟后，处于2 mol/L的蔗糖溶液中的细胞，其细胞液浓度将_。此时，在细胞壁与原生质层之间充满了_。要使其复原，应将其置于_。（3）在1分钟后，处于2 mol/L的乙二醇溶液中的细胞，其原生质体体积的变化是由于_逐渐进入细胞，引起细胞液浓度_。答案：（1）外渗 变大 （2）不变 蔗糖溶液 清水中 （3）乙二醇分子 变大