李紅艷

摘要：水是細(xì)胞中必不可少的成分，在細(xì)胞的新陳代謝中發(fā)揮了很重要的作用。人教版高中生物必修一第四章介紹了水通過(guò)滲透作用進(jìn)出細(xì)胞為突破口，講解了物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸。水是如何進(jìn)入細(xì)胞的？本文結(jié)合高中生物教學(xué)，對(duì)水進(jìn)出細(xì)胞的方式進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：滲透吸水 吸脹吸水 自由擴(kuò)散 協(xié)助擴(kuò)散 水通道蛋白

水是生命之源。對(duì)于細(xì)胞生物來(lái)說(shuō)，水是構(gòu)成細(xì)胞生物的主要成分。水是細(xì)胞內(nèi)的良好溶劑，細(xì)胞中許多物質(zhì)溶解在水中，細(xì)胞內(nèi)的許多生物化學(xué)反應(yīng)也都需要水的參與。沒(méi)有水，就沒(méi)有生命。水是如何進(jìn)出細(xì)胞的？人教版高中生物必修一第四章給我們介紹了細(xì)胞的滲透吸水和失水，以及水的跨膜運(yùn)輸，但教材中對(duì)水進(jìn)出細(xì)胞的方式概括不夠全面，學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)有一定的困難。我結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)水如何進(jìn)出細(xì)胞進(jìn)行了探討。

一、滲透作用吸水和失水

滲透吸水是細(xì)胞吸水的一種方式。教材中設(shè)計(jì)的滲透作用裝置（見(jiàn)圖1）。

在長(zhǎng)頸漏斗口外密封一層半透膜，往漏斗內(nèi)注入蔗糖溶液，然后將漏斗倒置于盛有清水的燒杯中，使漏斗內(nèi)外液面相等，一段時(shí)間后，漏斗內(nèi)液面上升。分析如下：由于清水的水勢(shì)高，蔗糖溶液的水勢(shì)低，所以燒杯中的清水就會(huì)透過(guò)半透膜流入漏斗內(nèi)，使漏斗內(nèi)液面上升，當(dāng)溶液上升到一定高度的液面后就不再上升，這一現(xiàn)象被稱為滲透作用。

滲透作用是指水分子通過(guò)半透膜從低濃度溶液向高濃度溶液的擴(kuò)散。發(fā)生滲透作用需要兩個(gè)條件：一是需要有半透膜，二是半透膜兩邊有濃度差。動(dòng)物細(xì)胞以及具有大液泡的植物細(xì)胞主要依靠滲透作用吸水。成熟的植物細(xì)胞含有大液泡，液泡中是一定濃度的細(xì)胞液，液泡外的結(jié)構(gòu)是原生質(zhì)層，在細(xì)胞吸水的時(shí)候，我們常把原生質(zhì)層當(dāng)作一層半透膜。當(dāng)把細(xì)胞放在清水或低濃度溶液中時(shí)，在原生質(zhì)層兩側(cè)會(huì)有水勢(shì)差，這就具備進(jìn)行滲透作用的條件，細(xì)胞就會(huì)發(fā)生滲透吸水。通常情況下，土壤中溶液的水勢(shì)是比較高的，根系就可以從土壤中吸收水分。但當(dāng)細(xì)胞液的水勢(shì)比外界溶液水勢(shì)高時(shí)（例如，一次施用過(guò)量的化肥），此時(shí)細(xì)胞不僅不能從外界吸收水分，反而會(huì)讓細(xì)胞中的水分向外流出，從而不利于植物的生長(zhǎng)。由于植物體內(nèi)的細(xì)胞大多數(shù)是成熟細(xì)胞，所以植物細(xì)胞主要以滲透作用吸水。

二、吸脹吸水

吸脹吸水是植物細(xì)胞吸水的另一種方式。在未形成液泡的植物細(xì)胞中，細(xì)胞物質(zhì)主要是構(gòu)成細(xì)胞壁的果膠和纖維素、組成原生質(zhì)的蛋白質(zhì)，以及貯藏的大分子化合物（如淀粉等）。這些物質(zhì)都是親水膠體，在這些物質(zhì)的表面能吸附很多水分子，使膠體體積膨脹。例如，干燥的種子浸泡在水中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，細(xì)胞壁、原生質(zhì)和貯藏的淀粉等就會(huì)吸水膨脹，使種子體積增大，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生了吸脹作用，我們稱它為吸脹吸水。

三、自由擴(kuò)散

自由擴(kuò)散是物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞街?，物質(zhì)從高濃度溶液向低濃度溶液的擴(kuò)散，在這個(gè)過(guò)程中不需要載體的協(xié)助，也不需要消耗能量。物質(zhì)自由擴(kuò)散的速度與溶質(zhì)分子的大小、膜兩側(cè)溶質(zhì)的濃度差以及物質(zhì)的脂溶性程度等有關(guān)。由于細(xì)胞膜的基本骨架是磷脂雙分子層，脂溶性物質(zhì)較易溶于磷脂，因此能優(yōu)先跨過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)出細(xì)胞。大量實(shí)驗(yàn)證明，物質(zhì)穿過(guò)細(xì)胞膜擴(kuò)散的速度與其脂溶性程度相關(guān)，而且成正比。水分子不溶于脂，但由于水分子非常小，它可以穿過(guò)磷脂分子運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的間隙。然而，水分子及脂溶性物質(zhì)在膜兩側(cè)的移動(dòng)方向和速度，取決于物質(zhì)的濃度梯度，溶液的濃度差愈大，擴(kuò)散的速度就愈快。

四、協(xié)助擴(kuò)散

協(xié)助擴(kuò)散是指物質(zhì)必須在載體蛋白的協(xié)助下，才能從細(xì)胞膜高濃度一側(cè)流向低濃度一側(cè)，但在此過(guò)程中不消耗能量。長(zhǎng)期以來(lái)， 人們普遍認(rèn)為水分子進(jìn)出細(xì)胞都是以自由擴(kuò)散的方式。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)有些細(xì)胞在低滲溶液中對(duì)水的通透性并不高， 很難用自由擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行解釋。例如，將動(dòng)物的紅細(xì)胞放到低滲溶液里，很快就會(huì)發(fā)生吸水膨脹而溶血，而某些水生動(dòng)物的卵母細(xì)胞卻不是這樣，它們?cè)诘蜐B溶液就不會(huì)發(fā)生膨脹。由此，人們推測(cè)水分子在進(jìn)行跨膜運(yùn)輸時(shí)除了自由擴(kuò)散外，還可能存在某種非常特殊的機(jī)制。2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的美國(guó)科學(xué)家彼得·阿格雷，因其發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜上的水通道蛋白（見(jiàn)圖2）。阿格雷經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了自己的發(fā)現(xiàn)，阿格雷進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，把含有水通道蛋白的細(xì)胞以及去除了這種蛋白的細(xì)胞分別放入清水中，結(jié)果前者能夠吸水，后者不能。為了進(jìn)一步驗(yàn)證自己的發(fā)現(xiàn)，他又制造了兩種不同的細(xì)胞膜，一種含有水通道蛋白，另一種則不含水通道蛋白。他把這兩種人造細(xì)胞膜分別進(jìn)行了處理，然后放在清水中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一種細(xì)胞膜吸收了很多水而發(fā)生膨脹，則第二種沒(méi)有變化。一系列的實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了水通道蛋白具吸水的功能。目前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水通道蛋白廣泛存在于植物、動(dòng)物和一些微生物中，而且種類很多。

綜上所述，細(xì)胞通過(guò)滲透作用吸水和自由擴(kuò)散吸水的原理可概括為水分子順相對(duì)含量梯度進(jìn)行的運(yùn)輸，即水分子從含量多的一側(cè)運(yùn)輸?shù)剿肿雍可俚囊粋?cè)。而對(duì)于吸脹吸水主要是細(xì)胞內(nèi)親水物質(zhì)在發(fā)揮作用。有關(guān)水分子通過(guò)水通道蛋白進(jìn)出細(xì)胞的相關(guān)內(nèi)容，在教材中并未特別提到，是否將這種方式寫(xiě)入高中教材還需進(jìn)一步探討。水是如何進(jìn)出細(xì)胞的？在生物教學(xué)中應(yīng)該根據(jù)細(xì)胞有無(wú)液泡，運(yùn)輸過(guò)程中有無(wú)載體的協(xié)助來(lái)判斷水進(jìn)出細(xì)胞的方式。

參考文獻(xiàn)：

陳聯(lián)萬(wàn)，李?yuàn)檴櫍?汲娟娟. 生命科學(xué)研究的又一個(gè)里程碑[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2003（6）.

（責(zé)編 田彩霞）