細(xì)胞生活在一個(gè)液體的環(huán)境中，細(xì)胞與環(huán)境的物質(zhì)交換必須經(jīng)過細(xì)胞膜。我們知道，細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)含量有很大差別，這與細(xì)胞膜的功能有什么關(guān)系呢？不同物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸有什么不同的特點(diǎn)呢？

水是活細(xì)胞中含量最多的物質(zhì)，讓我們先來分析水是怎樣進(jìn)出細(xì)胞的。

水進(jìn)出細(xì)胞的原理

將一滴紅墨水滴入一杯清水中，清水很快就變成了紅色，這是溶質(zhì)分子在水中擴(kuò)散的結(jié)果?！皢栴}探討”所展示的漏斗管內(nèi)的液面之所以會(huì)上升，是燒杯中的溶劑——水分子通過半透膜向漏斗內(nèi)擴(kuò)散的結(jié)果。水分子（或其他溶劑分子）通過半透膜的擴(kuò)散，稱為滲透作用。如果半透膜兩側(cè)存在濃度差，滲透的方向就是水分子從水的相對(duì)含量高的一側(cè)向相對(duì)含量低的一側(cè)滲透。

水分子通過細(xì)胞膜進(jìn)出細(xì)胞也是同樣的原理嗎？細(xì)胞膜是否相當(dāng)于一層半透膜呢？

將哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞放入不同濃度的氯化鈉溶液中，-段時(shí)間后，紅細(xì)胞將會(huì)發(fā)生以下的變化（圖4-1）。

當(dāng)外界溶液的濃度比細(xì)胞質(zhì)的濃度低時(shí)，細(xì)胞吸水膨脹。

當(dāng)外界溶液的濃度比細(xì)胞質(zhì)的濃度高時(shí)，細(xì)胞失水皺縮。

當(dāng)外界溶液的濃度與細(xì)胞質(zhì)的濃度相同時(shí)，細(xì)胞形態(tài)不變。

水進(jìn)出其他動(dòng)物細(xì)胞的原理與進(jìn)出紅細(xì)胞的原理是一樣的，都是通過滲透作用。

水又是怎樣進(jìn)出植物細(xì)胞的呢？

我們知道，植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與動(dòng)物細(xì)胞有明顯的區(qū)別。植物細(xì)胞的細(xì)胞膜外面有一層細(xì)胞壁。研究表明，對(duì)于水分子來說，細(xì)胞壁是全透性的，即水分子可以自由地通過細(xì)胞壁，細(xì)胞壁的作用主要是保護(hù)和支持細(xì)胞，伸縮性比較小。成熟的植物細(xì)胞由于中央液泡占據(jù)了細(xì)胞的大部分空間（圖4-2），將細(xì)胞質(zhì)擠成一薄層，所以細(xì)胞內(nèi)的液體環(huán)境主要指的是液泡里面的細(xì)胞液。細(xì)胞膜和液泡膜以及兩層膜之間的細(xì)胞質(zhì)稱為原生質(zhì)層。后文所說的水進(jìn)出細(xì)胞，主要是指水經(jīng)過原生質(zhì)層進(jìn)出液泡。

探究·實(shí)踐

探究植物細(xì)胞的吸水和失水

將有些萎蔫的菜葉浸泡在清水中，不久，菜葉就會(huì)變得硬挺。將白菜剁碎做餡時(shí)，常常要放一些鹽，稍過一會(huì)兒就可見到有水分滲出。對(duì)農(nóng)作物施肥過多，會(huì)造成“燒苗”現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都說明，植物細(xì)胞也像動(dòng)物細(xì)胞一樣，會(huì)發(fā)生吸水或失水現(xiàn)象，吸水或失水同樣與外界溶液的濃度有關(guān)。

提出問題

水分進(jìn)出植物細(xì)胞是通過滲透作用嗎？原生質(zhì)層是否相當(dāng)于一層半透膜？

作出假設(shè)

假設(shè)是對(duì)問題所作的嘗試性回答。作假設(shè)不是憑空猜測(cè)，而是根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)作出合理的推斷。請(qǐng)結(jié)合上文介紹的植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和自己的生活經(jīng)驗(yàn)，與本小組同學(xué)討論這個(gè)問題的合理答案。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以思考和討論以下問題。

1.如果假設(shè)是正確的，當(dāng)外界溶液的濃度高于細(xì)胞液的濃度時(shí)，細(xì)胞就會(huì)當(dāng)外界溶液的濃低于細(xì)胞液的濃度時(shí)，細(xì)胞就會(huì)降低？

2.如何使細(xì)胞外溶液的濃度提高或

3.如何看到細(xì)胞？需要用到什么材料和器具？

4.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出預(yù)測(cè)——細(xì)胞失水或吸水后可能出現(xiàn)哪些可觀察的變化？

參考案例

下面是可供參考的實(shí)驗(yàn)方案，或許可以幫你在細(xì)節(jié)上完善自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，你也可以對(duì)這個(gè)方案作出適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

材料用具

紫色的洋蔥鱗片葉。

刀片，鑷子，滴管，載玻片，蓋玻片，

吸水紙，顯微鏡。

質(zhì)量濃度為0.3g/mL的蔗糖溶液，清水。

方法步驟

1.選取新鮮洋蔥鱗片葉，用刀片在外表皮上劃一方框，用鑷子撕下表皮。在潔凈的載玻片上滴一滴清水，將撕下的表皮放在水滴中展平，蓋上蓋玻片，制成臨時(shí)裝片。

2.用低倍顯微鏡觀察洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞中案色的中央液泡的大小，以及原生質(zhì)層的位置。

3.從蓋玻片的一側(cè)滴入蔗糖溶液，在蓋玻片的另一側(cè)用吸水紙引流。這樣重復(fù)幾次，洋蔥鱗片葉表皮就浸潤(rùn)在蔗糖溶液中。

4.用低倍顯微鏡觀察，看細(xì)胞的中央液泡是否逐漸變小，原生質(zhì)層在什么位置，細(xì)胞大小是否變化。

5.在蓋玻片的一側(cè)滴入清水，在蓋破片的另一側(cè)用吸水紙引流。這樣重復(fù)幾次，洋蔥鱗片葉表皮又浸潤(rùn)在清水中。

6.用低倍顯微鏡觀察，看中央液泡是否逐漸變大，原生質(zhì)層的位置有沒有變化，細(xì)胞的大小有沒有變化。

通過上面的探究活動(dòng)可以看出，植物細(xì)胞的原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜，植物細(xì)胞也是通過滲透作用吸水和失水的。當(dāng)細(xì)胞液的濃度小于外界溶液的濃度時(shí)，細(xì)胞液中的水就透過原生質(zhì)層進(jìn)入外界溶液中，使細(xì)胞壁和原生質(zhì)層都出現(xiàn)一定程度的收縮。當(dāng)細(xì)胞不斷失水時(shí)，由于原生質(zhì)層比細(xì)胞壁的伸縮性大，原生質(zhì)層就會(huì)與細(xì)胞壁逐漸分離開來，也就是逐漸發(fā)生了質(zhì)壁分離。當(dāng)細(xì)胞液的濃度大于外界溶液的濃度時(shí)，外界溶液中的水就透過原生質(zhì)層進(jìn)入細(xì)胞液中，整個(gè)原生質(zhì)層就會(huì)慢慢地恢復(fù)成原來的狀態(tài)，使植物細(xì)胞逐漸發(fā)生質(zhì)壁分離的復(fù)原（圖4-3）。

像水分子這樣，物質(zhì)以擴(kuò)散方式進(jìn)出細(xì)胞，不需要消耗細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量，這種物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式稱為被動(dòng)運(yùn)輸（passive transport）。被動(dòng)運(yùn)輸又分為自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散兩類。

自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散

有些小分子物質(zhì)，很容易自由地通過細(xì)胞膜的磷脂雙分子層，如氧和二氧化碳。當(dāng)肺泡內(nèi)氧的濃度大于肺泡細(xì)胞內(nèi)部氧的濃度時(shí)，氧便通過擴(kuò)散作用進(jìn)入肺泡細(xì)胞內(nèi)部。細(xì)胞內(nèi)由于呼吸作用使二氧化碳濃度升高時(shí)，二氧化碳便通過擴(kuò)散作用排出細(xì)胞，進(jìn)入細(xì)胞外液。甘油、乙醇、苯等脂溶性的小分子有機(jī)物也較易通過自由擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞。像這樣，物質(zhì)通過簡(jiǎn)單的擴(kuò)散作用進(jìn)出細(xì)胞的方式，叫作自由擴(kuò)散（free diffusion)，也叫簡(jiǎn)單擴(kuò)散（simple diffusion

離子和一些小分子有機(jī)物如葡萄糖、氨基酸等，不能自由地通過細(xì)胞膜。鑲嵌在膜上的一些特殊的蛋白質(zhì)，能夠協(xié)助這些物質(zhì)順濃度梯度跨膜運(yùn)輸，這些蛋白質(zhì)稱為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。這種借助膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)出細(xì)胞的物質(zhì)擴(kuò)散方式，叫作協(xié)助擴(kuò)散(facilitated diffusion）（圖4-4），也叫易化擴(kuò)散。

轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以分為載體蛋白和通道蛋白兩種類型。載體蛋白只容許與自身結(jié)合部位相適應(yīng)的分子或離子通過，而且每次轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)都會(huì)發(fā)生自身構(gòu)象的改變；通道蛋白只容許與自身通道的直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子通過。分子或離子通過通道蛋白時(shí)，不需要與通道蛋白結(jié)合（圖4-5）。

過去人們普遍認(rèn)為，水分子都是通過自由擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞的，但后來的研究表明，水分子更多的是借助細(xì)胞膜上的水通道蛋白以協(xié)助擴(kuò)散方式進(jìn)出細(xì)胞的。

由于自由擴(kuò)散與協(xié)助擴(kuò)散都是順濃度梯度進(jìn)行跨膜運(yùn)輸?shù)?，不需要消耗?xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量，因此膜內(nèi)外物質(zhì)濃度梯度的大小會(huì)直接影響物質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃俾?，但協(xié)助擴(kuò)散需要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，因而某些物質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃俾蔬€與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的數(shù)量有關(guān)。