对质壁分离自动复原过程两种认识的辨析
时间：2023-02-11 22:10:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
新疆 于彦军 张媛媛
质壁分离的自动复原现象是指植物细胞在一定的外界溶液中先出现质壁分离现象，然后在不加水的情况下，自发进行质壁分离的复原。质壁分离的自动复原现象是对高中生物学教材中质壁分离与复原知识的拓展和深化，也是教师培养学生辩证思维、推理分析的好素材。因此，在教学中，质壁分离的自动复原现象已悄然出现在讲、练、考的环节中，但部分学生对“质壁分离自动复原过程中细胞液的浓度变化”的认识存在误区，对质壁分离的自动复原机理与质壁分离的复原机理混淆。本文笔者对此进行阐述，以供交流探讨。
【例1】图1乙细胞是将图1甲细胞放置于一定浓度的蔗糖溶液中的结果，图1丙是将另外一种植物的细胞依次浸于蒸馏水、物质的量浓度为0.3 mol/L的蔗糖溶液和0.5 mol/L的尿素溶液中，原生质体的体积随时间变化的曲线图，请据图1回答:
图1
bc段的细胞液浓度变化为___________________(填“增大” “减小”或 “不变”)。
【答案】减小
【例2】乙二醇溶液和蔗糖溶液分别浸润某种植物细胞，观察质壁分离现象，得到其原生质体体积的变化情况如图2所示。请据图2回答:
在1分钟后，处于2 mol·L-1乙二醇溶液中的细胞，其原生质体体积的变化是由于___________________逐渐进入细胞内，引起细胞液浓度___________________。
【答案】乙二醇分子 增大
例1中是依据植物细胞吸水使其细胞体积增大，细胞液浓度变小的原理，得出bc段(质壁分离的自动复原过程中)的细胞液浓度变化为减小的结论。例2中原生质体体积的变化(质壁分离的自动复原过程中细胞吸水)原因是由于乙二醇分子逐渐进入细胞内，引起细胞液浓度增大，导致细胞吸水，从而使原生质体体积增大。孰是孰非？
3.1 自由能和水势
水的偏摩尔体积(VW)是指在一定的温度和压力下1 mol水中加入1 mol某溶液后，该1 mol水所占的有效体积。水的偏摩尔体积在不同溶液体系中存在差异，与纯水的摩尔体积不同。在稀的水溶液中，水的偏摩尔体积与纯水的摩尔体积相差很小，往往用纯水的摩尔体积代替水的偏摩尔体积。纯水的自由能最大，水势也最高。由于溶液中溶质微粒降低了水的自由能，所以溶液中水的自由能比纯水的低。水势的绝对值不易测得，将纯水的水势定为零，溶液的水势则为负值。溶液浓度越大，水势就越低。
3.2 植物细胞吸水
在一个渗透系统中，水移动的方向取决于半透膜两侧溶液的水势高低。水势高的溶液中水就会流向水势低的溶液中。水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象称为渗透作用。植物细胞的细胞壁主要是由纤维素分子组成，细胞壁对水和溶质是全通透的。而细胞膜、细胞质和液泡膜构成的原生质层可当作一个半透膜，当细胞液与环境中的溶液具有一定的水势差时，细胞液、原生质层和环境中的溶液之间，就会发生渗透作用。当环境中溶液的水势高于细胞液的水势时，环境中溶液里的水就会进入到细胞中。其实，细胞吸水不仅仅与水势有关，还受到其他因素的影响。如细胞中的亲水胶体吸水的能力及细胞壁对原生质体膨胀的限制等，使得细胞吸水情况比渗透作用更为复杂。
细胞的水势决定细胞的吸水情况。典型植物细胞水势(ψw)是由渗透势(ψs)、压力势(ψp)、重力势(ψg)、衬质势(ψm)组成，可表示为ψw=ψs+ψp+ψg+ψm。
渗透势也叫溶质势，渗透势是由于溶质颗粒的存在，降低了水的自由能，因其溶液水势低于纯水水势的水势下降值。在标准压力下，溶液的渗透势等于溶液的水势，因为溶液的压力势为0 MPa。溶液的渗透势决定于溶液中溶质颗粒(离子或分子)的总数。
压力势是指细胞的原生质体吸水膨胀，对细胞壁产生一种膨胀压力，引起细胞壁产生一种限制原生质体膨胀的反作用力。压力势是由于细胞壁压力的存在而增加水势的值，故压力势往往是正值。
重力势是水分因重力下移与相反力量相等时的力量，它是增加细胞水分自由能，提高水势的值，以正值表示。重力势由参比状态下水的密度、水的高度和重力加速度而定。当水分在细胞水平移动，与渗透势和压力势相比，重力组分通常省略不计。
衬质势是指细胞中胶体物质如淀粉粒、纤维素、蛋白质等亲水性和毛细管(凝胶内部的空隙)对自由水的束缚而引起水势降低的值，以负值表示。没有形成液泡的细胞具有较低的衬质势。如干种子的衬质势可达-100 MPa，这时由于细胞中的ψm、ψp、ψg都看作是0，所以ψw=ψm=-100 MPa，水势很低，吸水能力很强。但已经形成液泡的细胞，ψm值与ψs值较难区分，通常认为ψm值只有-0.01 MPa左右，只占整个水势的微小部分，也常忽略不计。因此，上述公式可简化为ψw=ψs+ψp(此公式适用于有液泡的细胞或细胞群)。
细胞含水量多少使细胞体积发生变化，从而使渗透势和压力势发生变化。在细胞初始质壁分离时(相对体积=1)，压力势为零，细胞的水势等于渗透势，即ψw=ψs。当细胞吸水时，细胞体积增大，细胞液被稀释，渗透势增大，压力势增大，水势也增大。当细胞吸水达到饱和时，压力势与渗透势的绝对值相等，但符号相反，处于纯水环境中的细胞此时水势为零，细胞不吸水。
3.3 质壁分离的自动复原现象解释的分析
3.4 佐证材料
可见，目前对于质壁分离的自动复原现象的解释普遍认为是由于溶质分子进入细胞使细胞液的浓度增大从而导致细胞吸水。
由以上分析可知，例1中的答案不被人们所认同，例2中的答案才是人们所认同的。
出现例1中错误分析的原因是将质壁分离的自动复原实验与质壁分离的复原实验混为一谈，未能加以区分。质壁分离与复原实验中，初始时因外界溶液浓度大于细胞液浓度，植物细胞失水，细胞液的浓度逐渐升高，颜色逐渐加深，液泡逐渐变小，原生质层和细胞壁逐渐分离；
在复原时，人为在盖玻片的一侧滴加清水，另一侧用吸水纸吸引，重复几次，使得外界溶液浓度小于细胞液的浓度从而使细胞吸水，细胞液的浓度逐渐降低，颜色逐渐变浅，液泡逐渐变大，原生质层和细胞壁的位置逐渐复原。而质壁分离的自动复原现象是指植物细胞在一定的外界溶液中先出现质壁分离现象，然后在不加水的情况下，由于外界溶质分子进入细胞，使得细胞液的浓度增大而外界溶液的浓度减小，导致细胞吸水从而自发进行质壁分离的复原。
【例3】(2022年，全国甲卷，第2题)植物成熟叶肉细胞的细胞液浓度可以不同。现将a、b、c三种细胞液浓度不同的某种植物成熟叶肉细胞，分别放入三个装有相同浓度蔗糖溶液的试管中，当水分交换达到平衡时观察到：①细胞a未发生变化；
②细胞b体积增大；
③细胞c发生了质壁分离。若在水分交换期间细胞与蔗糖溶液没有溶质的交换，下列关于这一实验的叙述，不合理的是
( )
A.水分交换前，细胞b的细胞液浓度大于外界蔗糖溶液的浓度
B.水分交换前，细胞液浓度大小关系为细胞b>细胞a>细胞c
C.水分交换平衡时，细胞c的细胞液浓度大于细胞a的细胞液浓度
D.水分交换平衡时，细胞c的细胞液浓度等于外界蔗糖溶液的浓度
【试题解析】本题考查植物细胞吸水、失水的条件及应用。当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，植物细胞通过渗透作用失水；
当外界溶液浓度等于细胞液浓度时，植物细胞不发生渗透作用，细胞既不失水也不吸水，水分进出细胞处于动态平衡；
当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，植物细胞通过渗透作用吸水。观察到细胞b的体积增大，说明细胞b吸水，故水分交换前，细胞b的细胞液浓度大于外界蔗糖溶液的浓度，A正确；
水分交换前，细胞液浓度大小关系为细胞b>细胞a>细胞c，B正确；
水分交换达到平衡时，细胞a未发生变化，说明其细胞液浓度与外界蔗糖溶液浓度相等；
但细胞c失水后外界蔗糖溶液的浓度减小，因此，水分交换平衡时，细胞c的细胞液浓度小于细胞a的细胞液浓度，C错误；
在一定的蔗糖溶液中，细胞c失水并发生了质壁分离，当水分交换达到平衡时，细胞c因失水浓度增大，外界溶液获得水后浓度减小，动态平衡时，细胞c浓度可能等于外界蔗糖溶液浓度，D正确。
【错因分析】审题不仔细，弄错了细胞所处状态的条件是水分交换前还是平衡时，导致选错。有的学生未能将细胞液浓度变化与外界溶液浓度的变化加以区分，导致选错。
【例4】(2022年6月，浙江卷，第11题)“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验中，用显微镜观察到的结果如图3所示。下列叙述正确的是
( )
A.由实验结果推知，甲图细胞是有活性的
B.与甲图细胞相比，乙图细胞的细胞液浓度较低
C.丙图细胞的体积将持续增大，最终胀破
D.若选用根尖分生区细胞为材料，质壁分离现象更明显
【试题解析】本题考查植物细胞质壁分离与复原的实验。据图3分析该植物细胞可发生质壁分离与复原，则说明该细胞具有活性，A正确；
与甲图细胞相比，乙图细胞处于质壁分离状态是由甲图中细胞失水引起的，乙图中细胞液浓度大于甲图中细胞液浓度，B错误；
从乙图到丙图，图中细胞渗透吸水并发生质壁分离复原，但由于植物细胞具有细胞壁的支持和保护作用，细胞的体积是不会持续增大而胀破的，C错误；
植物根尖分生区细胞没有中央大液泡，不会发生明显的质壁分离现象，D错误。
【错因分析】缺乏对实验结果的分析、推理能力和知识的综合应用能力。首先，应将图3中信息转换为文字信息，即随着细胞的质壁分离和复原，植物细胞表现为先失水再吸水；
其次，依据每一选项利用所学相关知识进行分析。部分学生因读图不仔细或能力欠缺，导致错选。
【例5】在洋葱鳞片叶外表皮细胞的质壁分离和复原实验中，液泡的体积会随外界溶液浓度的变化而改变，如图4所示。图4中①②两处滴加的溶液分别是
( )
A.清水、清水
B.清水、0.3 g·mL-1的蔗糖溶液
C.0.3 g·mL-1的蔗糖溶液、清水
D.0.3 g·mL-1的蔗糖溶液、0.3 g·mL-1的蔗糖溶液
【试题解析】本题考查植物细胞质壁分离与复原实验及数学模型分析能力。植物细胞质壁分离时细胞失水，细胞液浓度变大，原生质层由大变小，细胞液颜色由浅变深。分析图4曲线，得知①处滴加溶液后，液泡的体积逐渐变小，细胞发生渗透失水，因此该处细胞外液浓度大于细胞液的浓度，即①处滴加的是0.3 g·mL-1蔗糖溶液；
②处滴加某溶液后，液泡的体积逐渐变大，说明细胞发生渗透吸水，此时细胞液的浓度大于外界溶液的浓度，因此②处可能滴加的是清水，即选项C正确。
【错因分析】缺乏知识间的联系，不能将失水、液泡体积、原生质体体积三者变化的关系建立有效联系，对于应用图形表达生物学规律的能力不足。随着细胞的质壁分离和复原，植物细胞表现为先失水再吸水，部分学生不知图中所表达内容或错误解读纵轴信息导致错选B项。
由此可见，在教学中，首先让学生厘清质壁分离与复原的原理、细胞失水、吸水与液泡溶液浓度、液泡体积、原生质层与细胞壁的位置间的变化关系，并建立相应的数学模型，从而提高学生的信息转换能力、模型构建及模型分析能力。然后，让学生进行对比分析，对质壁分离的复原和质壁分离的自动复原原理加以区分，以达到对知识的拓展和深化，从而提升学生的学科思维和知识应用能力。
猜你喜欢 复原蔗糖体积 温陈华：唐宋甲胄复原第一人疯狂英语·新悦读(2022年8期)2022-09-201立方厘米与1立方分米数学大王·低年级(2022年5期)2022-05-21顶空气相色谱法测定三氯蔗糖中1，1，2-三氯乙烷含量的研究食品安全导刊(2021年20期)2021-08-30一起来做颈椎操吧小天使·二年级语数英综合(2021年4期)2021-06-15金禾实业：具备成本及产业链优势股市动态分析(2021年8期)2021-04-26蔗糖浓度对微型月季花诱导的影响现代园艺(2020年23期)2020-12-09毓庆宫惇本殿明间原状陈列的复原紫禁城(2020年8期)2020-09-09谈拟柱体的体积高中生学习·高二版(2017年9期)2017-10-25以大豆油与玉米油为原料的“液体皂”的制备科技创新导报(2016年29期)2017-03-15谁的体积大幼儿智力世界(2016年11期)2017-02-21
