包翠敏

(上海金蘋(píng)果學(xué)校 201208)

在生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生往往對(duì)實(shí)驗(yàn)特別感興趣。究其原因，是在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生能夠體驗(yàn)動(dòng)手操作與合作的快樂(lè)與滿足，但實(shí)驗(yàn)課也存在一定的局限性，即學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握僅僅停留在感性的認(rèn)識(shí)上，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象原因的深度思考。因此，如果在實(shí)驗(yàn)之后能夠再重新認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步分析、總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原理，實(shí)驗(yàn)才會(huì)更具價(jià)值。

例如，在進(jìn)行“植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原”實(shí)驗(yàn)之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)一步分析和探究，將會(huì)使學(xué)生更好地理解該實(shí)驗(yàn)的原理，同時(shí)還能加深對(duì)“滲透作用”和“滲透壓”這2個(gè)抽象概念的理解，并能解釋一些相關(guān)的生命現(xiàn)象。

1 對(duì)“質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)”的再認(rèn)識(shí)

1.1 質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)及原理 由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，當(dāng)把洋蔥表皮細(xì)胞浸在30%蔗糖溶液中時(shí)，由于細(xì)胞失水導(dǎo)致原生質(zhì)層隨之縮小，而細(xì)胞壁的伸縮性較小，因而出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象。由此可以得出的結(jié)論是：當(dāng)外界溶液濃度大于細(xì)胞液濃度時(shí)，細(xì)胞失水；反之細(xì)胞吸水。

1.2 成熟的植物細(xì)胞構(gòu)成一個(gè)滲透系統(tǒng) 首先給出一個(gè)裝置如圖1，并按圖示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)A；實(shí)驗(yàn)B與實(shí)驗(yàn)A的裝置相同，但要用針將半透膜扎多個(gè)小孔，破壞半透膜的半透性；實(shí)驗(yàn)C與實(shí)驗(yàn)A的差別是漏斗內(nèi)外都是30%的蔗糖溶液。三組實(shí)驗(yàn)在初始時(shí)需保持內(nèi)外液面相平。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幾分鐘后實(shí)驗(yàn)A裝置中漏斗內(nèi)液面上升；實(shí)驗(yàn)B和C裝置的漏斗內(nèi)外液面沒(méi)有明顯變化。進(jìn)一步思考：①燒杯中的水分子為什么會(huì)進(jìn)入漏斗中? ②漏斗內(nèi)的液面會(huì)不會(huì)一直上升?為什么? ③實(shí)驗(yàn)B、C中的液面為什么沒(méi)有變化？

圖1 滲透系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)分析：在實(shí)驗(yàn)A裝置中，蔗糖分子不能通過(guò)半透膜，漏斗外單位體積中水分子的數(shù)量明顯大于漏斗內(nèi)水分子的數(shù)量，導(dǎo)致水分子從漏斗外流向漏斗內(nèi)，進(jìn)而漏斗內(nèi)液面增高。由此可判斷水分子從低濃度溶液流向高濃度溶液。由于大量水分子透過(guò)半透膜由外向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)對(duì)半透膜產(chǎn)生一個(gè)向上的壓力；同時(shí)漏斗內(nèi)的液面升高而形成的水柱同樣會(huì)對(duì)半透膜產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力。當(dāng)兩個(gè)力相平衡時(shí)水柱不再升高。在實(shí)驗(yàn)B中，由于破壞了半透膜的半透性，蔗糖分子會(huì)通過(guò)小孔擴(kuò)散到燒杯中，故不會(huì)發(fā)生滲透作用；實(shí)驗(yàn)C與A相比，由于內(nèi)外沒(méi)有濃度差, 所以也沒(méi)有發(fā)生滲透作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：滲透作用發(fā)生的條件是需要完好的半透膜和半透膜兩側(cè)存在濃度差。推論：成熟的植物細(xì)胞具備了發(fā)生滲透作用的兩個(gè)條件，其原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜；細(xì)胞液和外界溶液存在濃度差，因此成熟的植物細(xì)胞構(gòu)成了一個(gè)滲透系統(tǒng)。

2 對(duì)“滲透作用”概念的理解

2.1 滲透作用的概念 滲透作用指兩種不同濃度的溶液隔以半透膜，水分子或其他溶劑分子從低濃度的溶液通過(guò)半透膜進(jìn)入高濃度溶液中的現(xiàn)象。

2.2 滲透作用的原理 在水分子的滲透過(guò)程中，水分子是由水勢(shì)高的一側(cè)向水勢(shì)低的一側(cè)運(yùn)動(dòng)。水勢(shì)是指每摩爾水分子所具有的可用于做功的能量，在溫度和壓力恒定的條件下，純水的水勢(shì)最高，水溶液的濃度與水勢(shì)高低成反比。根據(jù)熱力學(xué)原理，系統(tǒng)中物質(zhì)的總能量可分為束縛能和自由能兩部分，束縛能不能轉(zhuǎn)化為用于做功的能量，而自由能是在溫度恒定的條件下用于做功的能量。

水勢(shì)可理解為每摩爾水分子所具有的自由能(可用于做功的能量)。任何溶液中都含有溶質(zhì)，水分子因與溶質(zhì)分子相互作用而消耗了自由能，使水勢(shì)下降；又由于溶質(zhì)的存在，一部分水呈束縛狀態(tài)，減少了自由水的含量，從而也降低了自由能。因此，導(dǎo)致水分子的運(yùn)動(dòng)總是從溶液濃度低的一側(cè)向溶液濃度高的一側(cè)運(yùn)動(dòng)，即水分子總是從水勢(shì)高的一側(cè)向水勢(shì)低的一側(cè)運(yùn)動(dòng)。

3 對(duì)“滲透壓”概念的理解

滲透壓是內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。滲透壓是指阻止水分子通過(guò)半透膜進(jìn)入水溶液的壓力，細(xì)胞的滲透壓則是阻止水分子通過(guò)細(xì)胞膜外排的壓力。滲透壓的大小與溶質(zhì)微粒數(shù)多少成正相關(guān)，與微粒大小無(wú)關(guān)。

因此，細(xì)胞內(nèi)的微粒數(shù)越多，水勢(shì)越小，水分子外排的壓力就越大，即滲透壓越大，表現(xiàn)為細(xì)胞吸水能力越強(qiáng)。細(xì)胞外液的滲透壓指的是血漿、組織液、淋巴等液體中各種溶質(zhì)微粒，如蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽離子等對(duì)水分子的吸引力。溶質(zhì)微粒越多，滲透壓越高。例如，1mol/L電解質(zhì)NaCl可解離成1mol/L Na+和1mol/L Cl-，形成的滲透壓為2Osm/L，而1mol/L的葡萄糖所形成的滲透壓為1Osm/L。顯然，相同濃度的不同溶液，其滲透壓不一定相同。

4 滲透作用原理的應(yīng)用

4.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用 依據(jù)滲透作用的原理，可以測(cè)定植物細(xì)胞的細(xì)胞液濃度大小，為農(nóng)作物的灌溉和施肥提供理論依據(jù)。

4.2 為水和電解質(zhì)平衡提供理論依據(jù) 例如，當(dāng)食物過(guò)咸、飲水不足或大量出汗時(shí)，導(dǎo)致血漿濃度增大，血漿滲透壓升高。此時(shí)，一方面組織液中的水分向血漿中擴(kuò)散(嚴(yán)重者會(huì)引起細(xì)胞脫水)；另一方面能引起下丘腦渴覺(jué)中樞興奮，大腦皮層產(chǎn)生渴覺(jué)而主動(dòng)積極的飲水；還會(huì)引起下丘腦分泌的抗利尿激素增多，尿量減少，促使血漿滲透壓下降，維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。這種神經(jīng)和體液的共同調(diào)節(jié)作用體現(xiàn)了生命活動(dòng)的高度協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

4.3 在疾病的防治中提供理論依據(jù) 例如，在飲食中限制鹽的攝入量可以預(yù)防高血壓；出現(xiàn)過(guò)敏反應(yīng)時(shí)，組織胺會(huì)導(dǎo)致過(guò)敏部位毛細(xì)血管通透性增大，組織液滲透壓升高而出現(xiàn)組織水腫；腎炎患者出現(xiàn)蛋白尿后導(dǎo)致組織水腫；人體在患有急性腸胃炎時(shí)，需要靜脈滴注生理鹽水來(lái)維持水和電解質(zhì)的平衡等。學(xué)生掌握了相關(guān)的理論知識(shí)后，可提高自我保健意識(shí)。