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【知識聯(lián)系框架】

1.水的存在形式與基本功能

水在細胞中的存在形式主要有兩種：結(jié)合水和自由水。

結(jié)合水是指與細胞內(nèi)的一些親水性物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、多糖等極性大分子物質(zhì)）相結(jié)合，不能自由流動。如果細胞中失去了結(jié)合水，生物大分子的空間結(jié)構(gòu)就不能維持，原生質(zhì)遭到破壞，代謝就不能正常進行而導致死亡。

自由水是指細胞內(nèi)能夠自由流動的水，即水分子的自由能大于親水大分子有機物的束縛力的水。自由水是細胞內(nèi)進行各種生物化學反應的介質(zhì)，是細胞內(nèi)的溶劑和運輸物質(zhì)的媒介。自由水在細胞內(nèi)的含量與生命活動的旺盛程度呈正相關(guān)，生命活動越旺盛，自由水的含量就越高。

2．水分代謝

（1）植物體內(nèi)的水分代謝

①植物的水分代謝包括水分的吸收、運輸、利用和散失。

植物吸收水分的方式主要有兩種：吸脹作用和滲透作用。吸脹作用吸收水分主要是依賴于細胞內(nèi)的親水性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素等，蛋白質(zhì)的親水能力最強，所以蛋白質(zhì)含量高的細胞或組織，吸脹作用吸收水分的能力比淀粉含量高的要強，含脂肪較多的細胞或組織通過吸脹作用吸水的能力最弱。沒有大的液泡的植物細胞主要以吸脹作用方式吸收水分。滲透作用是具有液泡的成熟植物細胞的吸水方式，也是植物體吸水的主要方式。一個有液泡的成熟植物細胞是一個滲透系統(tǒng)。原生質(zhì)層具有選擇透過性是完成滲透吸水的關(guān)鍵。一個死的植物細胞，原生質(zhì)層已失去了選擇透過性，所以就不具備滲透吸水的能力，但還能通過吸脹作用吸水，典型的例子是死亡的干種子也能吸水。質(zhì)壁分離和復原的實驗是驗證植物細胞通過滲透方式吸水的最佳實例。成熟的植物細胞發(fā)生質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離復原的內(nèi)因主要是原生質(zhì)層具有選擇透過性和原生質(zhì)層的伸縮性比細胞壁大；外因是原生質(zhì)層內(nèi)外溶液的濃度差。在正常情況下植物體內(nèi)滲透壓最高的細胞是葉肉細胞，最低的細胞是根毛區(qū)的細胞，因為只有這樣水分才能源源不斷地從根部經(jīng)莖運輸?shù)饺~片中。植物的根毛區(qū)細胞能否從土壤中吸水主要取決于根毛區(qū)細胞細胞液的濃度與土壤溶液的濃度差，這個差數(shù)越大，越容易吸收，越小吸水越困難，如一次性施肥過多出現(xiàn)“燒苗”現(xiàn)象等。

植物體內(nèi)運輸水分的途徑主要是通過導管完成的。導管是一個死細胞，但根、莖、葉中的導管是連成一體的，即連成一個密閉的管道，當葉肉細胞通過滲透作用從導管中吸取水分后，導管中的壓力就會降低，這時導管就會從根部的細胞中抽取水分，特別是從根毛區(qū)的細胞中抽取水分。

蒸騰作用是植物吸收水分和運輸水分的主要動力，植物蒸騰水分的途徑必須通過氣孔，而氣孔的開閉是可以調(diào)節(jié)的。如葉片細胞中水分不足，氣孔就會關(guān)閉，蒸騰作用就會減弱，這對于避免水分的過度散失具有非常重要的意義。但氣孔的關(guān)閉會使大氣中的CO2進入葉肉細胞發(fā)生困難，影響到光合作用的正常進行。在移栽植物時，通常要去掉一部分枝葉，原因是，移栽時植物的根部受到大面積損傷，吸水能力大大降低，如果不去掉一部分枝葉，過強的蒸騰作用會導致植物體內(nèi)嚴重失水而不能成活。陰生植物不能在強烈的太陽光下正常生長，主要原因是陰生植物的葉片抗蒸騰作用的能力較弱，在強光下蒸騰作用過于旺盛，水分過度散失造成的。從生態(tài)因子的角度分析，水是限制陸生生物分布的主要限制因子之一。

②水與礦質(zhì)代謝

礦質(zhì)元素必須溶解在水中成離子狀態(tài)才能被植物吸收和利用。植物的根毛區(qū)的細胞吸收礦質(zhì)元素離子是通過交換吸附和主動運輸完成的，主要是通過主動運輸。吸收的過程與呼吸作用有密切的關(guān)系，呼吸作用為交換吸附提供H+和HCO3-，為主動運輸提供能量(ATP)；礦質(zhì)離子的吸收與水分吸收的關(guān)系：礦質(zhì)離子的吸收與水分吸收是兩個相對獨立的過程，“相對獨立”說明它們之間既有區(qū)別，又有聯(lián)系。區(qū)別是這兩個過程的原理不同，水分的吸收主要是滲透作用，不消耗ATP；礦質(zhì)離子的吸收則必須通過主動運輸，需要消耗ATP。聯(lián)系是：這兩個過程都發(fā)生在根尖的成熟區(qū)（根毛區(qū)）；礦質(zhì)離子必須溶解在水中才能被吸收；礦質(zhì)離子的吸收增加了細胞液的濃度，從而也促進了水分的吸收；水分的吸收能及時地將已吸收的礦質(zhì)離子運走，也在一定程度上促進了礦質(zhì)離子的吸收。

③水與光合作用

水是光合作用的原料，也是光合作用的產(chǎn)物。水是進行光合作用的介質(zhì)，整個光合作用過程的完成都是在水中進行的。缺水對光合作用的影響主要是葉肉細胞缺水后，氣孔關(guān)閉所致。氣孔是氣體進出葉肉細胞的門戶，氣孔關(guān)閉不僅水蒸氣不能擴散出去，外界的CO2也不能擴散進入葉肉細胞，葉肉細胞因缺CO2而不能進行光合作用。

④水與呼吸作用

呼吸作用過程的完成是在細胞內(nèi)的水環(huán)境中進行的。水既是呼吸作用的原料，也是呼吸作用的產(chǎn)物。對種子而言，種子的呼吸作用會隨著種子含水量的增加而增強，所以干燥的種子有利于貯存，潮濕的種子由于種子的呼吸作用消耗有機物而縮短種子的貯存壽命。對于葉肉細胞而言，缺水會導致呼吸作用的下降。但水分往往與氧氣的供應是相矛盾的，如土壤中一定的含水量對種子的萌發(fā)和植物的正常生長是必需的，但含水量過多，會影響土壤的通氣，氧氣減少，植物細胞因缺氧而進行無氧呼吸，產(chǎn)生酒精毒害細胞而出現(xiàn)爛根、爛芽現(xiàn)象。

（2）動物體內(nèi)的水分代謝

動物體內(nèi)的水分代謝包括水分的吸收。利用和排出。

①水分的吸收

單細胞動物因為整個生物體只有一個細胞，體內(nèi)與體外環(huán)境之間只隔一層細胞膜，所以可以直接從外界環(huán)境中吸收水分。吸收方式主要是滲透作用。多細胞動物體內(nèi)的細胞吸收水分必須通過內(nèi)環(huán)境才能完成。以哺乳動物為例，必須通過消化道的上皮細胞將消化道中的水分吸收到血液中，再通過血液循環(huán)運輸?shù)礁鹘M織細胞。消化道上皮細胞吸收水分的方式是滲透作用，即隨著葡萄糖、氨基酸、Na+等的吸收，小腸絨毛上皮細胞中的濃度升高，小腸內(nèi)液體的濃度下降，水分就通過滲透作用進入小腸絨毛上皮細胞，再通過滲透作用進入血液。

多細胞動物體內(nèi)細胞的水分代謝主要是在組織細胞與毛細胞血管之間進行，中間要通過組織液。毛細血管壁對血液中的水分子、無機離子、葡萄糖、氨基酸等小分子物質(zhì)是全透性的，即這些物質(zhì)基本不影響血漿和組織液的滲透壓。血漿中的蛋白質(zhì)在正常情況下是不能通過毛細血管壁的，血漿與組織液之間的滲透壓差主要取決于血漿與組織液之間的蛋白質(zhì)分子的濃度差，如因某種原因?qū)е卵獫{中的蛋白質(zhì)含量減少或組織波中的蛋白質(zhì)含量增加，就會相應地造成血漿的滲透壓降低，組織液的滲透壓增加，這時組織液增加，就會出現(xiàn)組織水腫的現(xiàn)象。這種情況常見于：急性腎小球腎炎，這種病是腎臟中的腎小球發(fā)生病變，腎小球毛細血管通透性增加，血漿中的蛋白質(zhì)進人腎小管后隨尿液排出體外而降低了血漿中蛋白質(zhì)的濃度所至；因炎癥等原因?qū)е戮植拷M織內(nèi)的毛細血管通透性增加，血漿中的蛋白質(zhì)滲出毛細血管進入組織液，結(jié)果增加了組織液中蛋白質(zhì)的濃度而降低了血漿中蛋白質(zhì)的濃度所至。 

從以上分析可知，血漿中的水分來源是：主要是通過消化道吸收來的；其次是組織液的回滲；當然還有第三條途徑淋巴回流。組織細胞中的水分來源主要是組織液。 

②水分的利用

水分進入組織細胞后除為新陳代謝提供水環(huán)境外，還參與各種代謝活動，如呼吸作用、糖類和蛋白質(zhì)的不解與合成等。

③水分的排出

動物體內(nèi)多余的水分還要排出體外，對單細胞動物而言通過細胞膜直接排到外界環(huán)境中。在淡水中生活的單細胞動物，由于其體內(nèi)的滲透壓高于外環(huán)境，外界的水分會不斷地滲入細胞內(nèi)，但不能通過滲透作用排出水分。這類單細胞動物體內(nèi)有一個特殊的結(jié)構(gòu)——伸縮泡。但通過伸縮泡排出水分是逆水分子的濃度梯度進行的，所以是一個耗能的過程，如用呼吸作用抑制劑處理變形蟲，就會發(fā)現(xiàn)變形蟲的身體膨脹甚至會破裂。在高等的多細胞動物體內(nèi)，細胞內(nèi)的水分不能直接排到外環(huán)境中，必須通過內(nèi)環(huán)境進行。內(nèi)環(huán)境中的水分排出體外的途徑主要有3條：一是通過呼吸系統(tǒng)，即肺在呼氣的過程中，排出一部分水分；二是通過皮膚，即通過皮膚的汗腺分泌汗液排出體內(nèi)多余的水分；三是通過腎臟分泌尿液排出水分，這是體內(nèi)水分排出體外的最主要途徑，這條途徑要受到內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。此外消化腺分泌消化液也是排出內(nèi)環(huán)境中水分的一條途徑，只是消化腺分泌的消化液中的水分大部分被消化道上皮細胞所吸收，但在消化道受到細菌感染后，消化道上皮細胞的吸收能力減弱或幾乎喪失的時候（即平時講的胃腸炎），通過這條途徑排出水分是導致體內(nèi)失水的主要原因。