专题一非生物的物质与基础

.【知识联系框架】【重点知识联系与剖析】一、水与生命活动1.水的存在形式与基本功能水在细胞中的存在形式主要有两种：结合水和自由水。结合水是指与细胞内的一些亲水性物质（如蛋白质、多糖等极性大分子物质）相结合，不能自由流动。如果细胞中失去了结合水，生物大分子的空间结构就不能维持，原生质遭到破坏，代谢就不能正常进行而导致死亡。自由水是指细胞内能够自由流动的水，即水分子的自由能大于亲水大分子有机物的束缚力的水。自由水是细胞内进行各种生物化学反应的介质，是细胞内的溶剂和运输物质的媒介。自由水在细胞内的含量与生命活动的旺盛程度呈正相关，生命活动越旺盛，自由水的含量就越高。2．水分代谢（1）植物体内的水分代谢①植物的水分代谢包括水分的吸收、运输、利用和散失。植物吸收水分的方式主要有两种：吸胀作用和渗透作用。吸胀作用吸收水分主要是依赖于细胞内的亲水性物质，如蛋白质、淀粉、纤维素等，蛋白质的亲水能力最强，所以蛋白质含量高的细胞或组织，吸胀作用吸收水分的能力比淀粉含量高的要强，含脂肪较多的细胞或组织通过吸胀作用吸水的能力最弱。没有大的液泡的植物细胞主要以吸胀作用方式吸收水分。渗透作用是具有液泡的成熟植物细胞的吸水方式，也是植物体吸水的主要方式。一个有液泡的成熟植物细胞是一个渗透系统。原生质层具有选择透过性是完成渗透吸水的关键。一个死的植物细胞，原生质层已失去了选择透过性，所以就不具备渗透吸水的能力，但还能通过吸胀作用吸水，典型的例子是死亡的干种子也能吸水。质壁分离和复原的实验是验证植物细胞通过渗透方式吸水的最佳实例。成熟的植物细胞发生质壁分离和质壁分离复原的内因主要是原生质层具有选择透过性和原生质层的伸缩性比细胞壁大；外因是原生质层内外溶液的浓度差。在正常情况下植物体内渗透压最高的细胞是叶肉细胞，最低的细胞是根毛区的细胞，因为只有这样水分才能源源不断地从根部经茎运输到叶片中。植物的根毛区细胞能否从土壤中吸水主要取决于根毛区细胞细胞液的浓度与土壤溶液的浓度差，这个差数越大，越容易吸收，越小吸水越困难，如一次性施肥过多出现“烧苗”现象等。植物体内运输水分的途径主要是通过导管完成的。导管是一个死细胞，但根、茎、叶中的导管是连成一体的，即连成一个密闭的管道，当叶肉细胞通过渗透作用从导管中吸取水分后，导管中的压力就会降低，这时导管就会从根部的细胞中抽取水分，特别是从根毛区的细胞中抽取水分。蒸腾作用是植物吸收水分和运输水分的主要动力，植物蒸腾水分的途径必须通过气孔，而气孔的开闭是可以调节的。如叶片细胞中水分不足，气孔就会关闭，蒸腾作用就会减弱，这对于避免水分的过度散失具有非常重要的意义。但气孔的关闭会使大气中的CO2进入叶肉细胞发生困难，影响到光合作用的正常进行。在移栽植物时，通常要去掉一部分枝叶，原因是，移栽时植物的根部受到大面积损伤，吸水能力大大降低，如果不去掉一部分枝叶，过强的蒸腾作用会导致植物体内严重失水而不能成活。阴生植物不能在强烈的太阳光下正常生长，主要原因是阴生植物的叶片抗蒸腾作用的能力较弱，在强光下蒸腾作用过于旺盛，水分过度散失造成的。从生态因子的角度分析，水是限制陆生生物分布的主要限制因子之一。②水与矿质代谢矿质元素必须溶解在水中成离子状态才能被植物吸收和利用。植物的根毛区的细胞吸收矿质元素离子是通过交换吸附和主动运输完成的，主要是通过主动运输。吸收的过程与呼吸作用有密切的关系，呼吸作用为交换吸附提供H+和HCO3-，为主动运输提供能量(ATP)；矿质离子的吸收与水分吸收的关系：矿质离子的吸收与水分吸收是两个相对独立的过程，“相对独立”说明它们之间既有区别，又有联系。区别是这两个过程的原理不同，水分的吸收主要是渗透作用，不消耗ATP；矿质离子的吸收则必须通过主动运输，需要消耗ATP。联系是：这两个过程都发生在根尖的成熟区（根毛区）；矿质离子必须溶解在水中才能被吸收；矿质离子的吸收增加了细胞液的浓度，从而也促进了水分的吸收；水分的吸收能及时地将已吸收的矿质离子运走，也在一定程度上促进了矿质离子的吸收。③水与光合作用水是光合作用的原料，也是光合作用的产物。水是进行光合作用的介质，整个光合作用过程的完成都是在水中进行的。缺水对光合作用的影响主要是叶肉细胞缺水后，气孔关闭所致。气孔是气体进出叶肉细胞的门户，气孔关闭不仅水蒸气不能扩散出去，外界的CO2也不能扩散进入叶肉细胞，叶肉细胞因缺CO2而不能进行光合作用。④水与呼吸作用呼吸作用过程的完成是在细胞内的水环境中进行的。水既是呼吸作用的原料，也是呼吸作用的产物。对种子而言，种子的呼吸作用会随着种子含水量的增加而增强，所以干燥的种子有利于贮存，潮湿的种子由于种子的呼吸作用消耗有机物而缩短种子的贮存寿命。对于叶肉细胞而言，缺水会导致呼吸作用的下降。但水分往往与氧气的供应是相矛盾的，如土壤中一定的含水量对种子的萌发和植物的正常生长是必需的，但含水量过多，会影响土壤的通气，氧气减少，植物细胞因缺氧而进行无氧呼吸，产生酒精毒害细胞而出现烂根、烂芽现象。（2）动物体内的水分代谢动物体内的水分代谢包括水分的吸收。利用和排出。①水分的吸收单细胞动物因为整个生物体只有一个细胞，体内与体外环境之间只隔一层细胞膜，所以可以直接从外界环境中吸收水分。吸收方式主要是渗透作用。多细胞动物体内的细胞吸收水分必须通过内环境才能完成。以哺乳动物为例，必须通过消化道的上皮细胞将消化道中的水分吸收到血液中，再通过血液循环运输到各组织细胞。消化道上皮细胞吸收水分的方式是渗透作用，即随着葡萄糖、氨基酸、Na+等的吸收，小肠绒毛上皮细胞中的浓度升高，小肠内液体的浓度下降，水分就通过渗透作用进入小肠绒毛上皮细胞，再通过渗透作用进入血液。多细胞动物体内细胞的水分代谢主要是在组织细胞与毛细胞血管之间进行，中间要通过组织液。毛细血管壁对血液中的水分子、无机离子、葡萄糖、氨基酸等小分子物质是全透性的，即这些物质基本不影响血浆和组织液的渗透压。血浆中的蛋白质在正常情况下是不能通过毛细血管壁的，血浆与组织液之间的渗透压差主要取决于血浆与组织液之间的蛋白质分子的浓度差，如因某种原因导致血浆中的蛋白质含量减少或组织波中的蛋白质含量增加，就会相应地造成血浆的渗透压降低，组织液的渗透压增加，这时组织液增加，就会出现组织水肿的现象。这种情况常见于：急性肾小球肾炎，这种病是肾脏中的肾小球发生病变，肾小球毛细血管通透性增加，血浆中的蛋白质进人肾小管后随尿液排出体外而降低了血浆中蛋白质的浓度所至；因炎症等原因导致局部组织内的毛细血管通透性增加，血浆中的蛋白质渗出毛细血管进入组织液，结果增加了组织液中蛋白质的浓度而降低了血浆中蛋白质的浓度所至。从以上分析可知，血浆中的水分来源是：主要是通过消化道吸收来的；其次是组织液的回渗；当然还有第三条途径淋巴回流。组织细胞中的水分来源主要是组织液。②水分的利用水分进入组织细胞后除为新陈代谢提供水环境外，还参与各种代谢活动，如呼吸作用、糖类和蛋白质的不解与合成等。③水分的排出动物体内多余的水分还要排出体外，对单细胞动物而言通过细胞膜直接排到外界环境中。在淡水中生活的单细胞动物，由于其体内的渗透压高于外环境，外界的水分会不断地渗入细胞内，但不能通过渗透作用排出水分。这类单细胞动物体内有一个特殊的结构——伸缩泡。但通过伸缩泡排出水分是逆水分子的浓度梯度进行的，所以是一个耗能的过程，如用呼吸作用抑制剂处理变形虫，就会发现变形虫的身体膨胀甚至会破裂。在高等的多细胞动物体内，细胞内的水分不能直接排到外环境中，必须通过内环境进行。内环境中的水分排出体外的途径主要有3条：一是通过呼吸系统，即肺在呼气的过程中，排出一部分水分；二是通过皮肤，即通过皮肤的汗腺分泌汗液排出体内多余的水分；三是通过肾脏分泌尿液排出水分，这是体内水分排出体外的最主要途径，这条途径要受到内分泌系统的调节。此外消化腺分泌消化液也是排出内环境中水分的一条途径，只是消化腺分泌的消化液中的水分大部分被消化道上皮细胞所吸收，但在消化道受到细菌感染后，消化道上皮细胞的吸收能力减弱或几乎丧失的时候（即平时讲的胃肠炎），通过这条途径排出水分是导致体内失水的主要原因。二、化学元素与生命活动1．组成生命有机体的化学元素组成生命有机体的基本元素主要有4种：C、H、O、N。占组成元素总量的90％。在组成生命的元素中，根据其含量的多少分为大量元素和微量元素。大量元素有C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等，其中C、H、O、N、P、S占95％；微量元素有Fe、Mn、Zn、Cu、B、Cl、Mo等。2．化学元素的基本功能归纳起来化学元素的基本功能是：①是组成原生质的成分，如C、H、O、N、P、S等，约占原生质总量的95％以上；②是多种化合物的组成成分，如蛋白质、糖类、核酸、脂肪等；③也有一些元素能影响生物体的生命活动。化学元素的一些具体功能比较复杂，就高中生物内容的范围略作阐述。C、H、O3种元素是构成生命有机物的基本元素，任何一种有机物中都含有这3种元素，如糖类一般只有这3种元素组织，通式是(CH2O)n，故称为碳水化合物。蛋白质中除了C、H、O外还含有N和S。核酸中除C、H、O外还含有N和P。N是构成蛋白质和核酸的必需元素，N是生命活动的核心元素之一。就植物而言，N主要是以铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO2-、NO3-)的形式被植物吸收的。N是叶绿素的成分，没有N植物就不能合成叶绿素，也就不能进行光合作用。N在植物体内形成的化合物都是不稳定的或易溶于水的，故N在植物体内可以自由移动，缺N时，幼叶可向老叶吸收N而导致老叶先黄。N也是蛋白质和核酸中的必需元素，没有N就不能合成蛋白质和核酸，所以缺N就会影响到植物生命活动的各个方面，如光合作用、呼吸作用等。与N形成的所有的无机物都能溶于水，所以土壤中的N都是以各种离子的形式存在的，如NH4+、NO2-、NO3-等。无机态的N在土壤中是不能贮存的，很容易被雨水冲走，所以N是土壤中最容易缺少的矿质元素。在腐殖质丰富的土囊中，N的贮量较为丰富，因为N可以贮存在有机物中，有机物逐渐被分解者分解，N就释放出来被植物吸收利用。N是一种容易造成水域生态系统富营养化的一种化学元素，在水域生态系统中，过多的N与P配合会造成富营养化，在淡水生态系统中的富营养化称为“水华”，在海洋生态系统中的富营养化称为“赤潮”。对动物而言，无机态的N是不能利用的，只能利用有机态的N。最常利用的形式是氨基酸。动物体内缺N，实际就是缺少氨基酸，就会影响到动物体的生长发育。P是构成核酸和ATP的必需元素，是组成细胞质和细胞核的主要成分。对植物而言，P主要是以HPO42-和H2PO4-的形式被植物根吸收。两种离子在土壤中的多少，取决于土壤溶液的pH值；pH值低时，H2PO4-状态的离子较多；pH值较高时，HPO42-状态的离子较多。植物体内缺P，会影响到DNA的复制和RNA的转录，从而影响到植物的生长发育。P还参与植物光合作用和呼吸作用中的能量传递过程，因为ATP和ADP中都含有磷酸。P对生物的生命活动是必需的，但P也是容易造成水域生态系统富营养化的一种元素。Mg在植物体内一部分形成有机化合物，另一部分以离子状态存在。Mg是叶绿素的组成元素之一，没有Mg就不能合成叶绿素，植物也就不能进行光合作用。以离子状态存在的Mg是许多重要的酶的活化剂。Mg在植物体内是可以移动的一种元素，所以缺Mg时，植物出现失绿症，病变部位常表现出老叶先失绿。B能促进花粉的萌发和花粉管的生长，因此B与植物的生殖过程有密切的关系。缺B常导致植物“花而不实”。3．植物的矿质代谢矿质元素是指植物通过根系从土壤中吸收的元素，除C、H、O外，其他的必需元素都属于矿质元素。关于植物必须元素的确定是通过水塔法的实验得到确认的。其实验设计是，用缺少某种元素的不完全营养液培养植物，观察它是否能完成整个生命周期，如在生长发育过程中出现病症而不能完成整个生命周期，但添加这种元素后就能恢复正常并能完成整个生命周期，则这种元素就可确定为是植物的必需元素。矿质元素在植物体内的作用可以归纳为两点；一是构成植物体的成分；二是对植物的生命活动具有调节