细胞大小与物质运输的关系

细胞大小与物质运输的关系一、 学习目标本实验也是高中生物必修一“分子与细胞”一册书中典型的引导式实验，按照课程标准的要求，学生要学会模拟探究细胞体积与表面积的关系。通过模拟探究过程的进行，体验细胞必须要保持一定的体积，并认同细胞生长到一定大小后停止生长，细胞进入分裂增殖。同时通过对实验方案的设计主要培养学生比较、判断、推理、分析综合等思维能力，初步形成创造思维品质，能够运用学到的生物学知识评价和解决某些实际问题；其次通过分组实验和讨论，培养合作和交流能力，领会生物科学探究的一般方法，培养学生科学探究能力和勇于探索、不断创新的精神。二、 观察与思考（一） 提出问题生活中吹气球的时候，气球的体积在缓慢增大，能一直增大么？同理组成生物体的每一个细胞的体积在生长发育过程中能无限增大么？（二） 猜想与假设气球吹到一定程度是，橡胶的膨胀系数达到最大时，可能就会爆裂。细胞也一样可能有同样的遭遇，或许不增大，停止生长，或许进入下一次分裂，也可能萎缩。假设细胞的体积不能无限增大？（三） 交流、讨论可以分组实验，在实验室连续观察细胞的生长状况，利用显微镜观察细胞是否无限增大？也可以构建细胞模型，来验证细胞生长状况，以及细胞大小与物质运输的关系。三、 设计与交流广①实验方案：用含有酚酞的琼脂块模拟细胞形态，利用酚酞遇NaOH变红特性，观察扩散深度的测量，计算表面积与体积I 的比值来推导细胞大小与物质运输速率的关系我的设计 ②实验器材：烧杯、酚酞、琼脂块、直尺等I③实验步骤：琼脂+H2）—搅拌煮沸，冷却、凝固前加酚酞，搅拌混合一倒入浅盘一固化后切成小块。一用餐刀切成边长分别为3cm、2cm、1cm的正方体小块。一加入NaOH，将上述3块琼脂放入烧杯，加入NaOH溶液，淹没琼脂块，浸泡10min，注意搅拌。一测量并记录。四、 实验解析（一）实验原理含有酚酞的琼脂块遇到NaOH，酚酞变红色。主要利用酚酞与碱性溶液变红的特性。NaOH在琼脂块中扩散的速度相同，在相同时间内，NaOH扩散的深度（或琼脂块变红的体积）与琼脂块的总体积的比值可以反映NaOH在琼脂块中扩散的效率。此过程可模拟细胞大小与物质运输效率的关系。（二）主要实验材料材料：3cmX3cmX6cm的含有酚酞的琼脂块（琼脂由琼脂糖（Agarose）和琼脂果（Agaropectin）两部分组成。琼脂在食品工业的应用中具有一种极其有用的独特性质。其特点：具有凝固性、稳定性，能与一些物质如酚酞形成络合物等物理化学性质，可用作增稠剂、凝固剂、悬浮剂、乳化剂、保鲜剂和稳定剂。）、塑料餐刀、防护手套、塑料勺、纸巾、烧杯。药品：质量分数为%的NaOH溶液。（三）方法与步骤酚酞琼脂块的制备：30g琼脂+1LH2Of搅拌煮沸，冷却、凝固前加1g酚酞，搅拌混合f倒入浅盘f固化后切成3cmX3cmX6cm的小块。制备不同体积的正方体琼脂块，用餐刀切成边长分别为3cm、2cm、1cm的正方体小块。加入NaOH，将上述3块琼脂放入烧杯，加入NaOH溶液，淹没琼脂块，浸泡10min,注意搅拌。测量并记录：取出琼脂块，用餐刀沿中轴线切为两半并测量每块琼脂块上NaOH扩散的深度,做好记录。分析结果，得出结论。实验数据需计算表面积S（cm2）和模拟细胞的体积V（cm3），用S/V的比值，表示相对表面积的大小。（四）注意事项实验步骤2中应防止勺子破坏琼脂块的表面。2•分割琼脂块之前，应用纸巾吸干NaOH溶液。每次切割之前必须把刀擦干。在实验开始之前，要求每位学生穿好实验服，戴好护目镜和防护手套，以防止实验过程中药品飞溅，伤及眼睛和皮肤。酚酞易引起过敏反应，准备实验材料时最好戴橡皮手套。为了保证实验的严谨性，在放有琼脂块的三个烧杯内同时加入等量的NaOH溶液，在相同的“扩散”时间后，将琼脂块一齐取出。颜色变化的观察与面积和体积的计算可同时进行。本实验最后要引导学生认同细胞表面积与体积比不能过小，否则会因表面积的限制导致细胞代谢速率下降，这对细胞的生存是不利的。所以当细胞长到一定大时，便不再长大，进而一分为二，为细胞快速代谢创造条件。（五）实验变量分析本实验中自变量是不同大小琼脂块模拟的细胞，因变量是琼脂块进入琼脂块“细胞”的深度。其中NaOH溶液的浓度、环境温度等为因变量。五、实验结论及分析（一）实验结果与预测结果的比较琼脂块的边长/cm表面积/cm2体积/cm3比值（表面积/体积）NaOH扩散的深度/cm比值（NaOH扩散的体积整个琼脂块的体积）321结论琼脂块的表面积和体积的比随着琼脂块的增大而 。NaOH扩散的体积与整个琼脂块体积之比随着琼脂块的增大而 。（二）试验中遇到的问题1．酚酞是极易引起过敏的一种物质，如何保证实验过程中操作者不解除活不过敏？NaOH具有极强的腐蚀性，操作时应避免与皮肤和眼睛接触。如喷洒出来，应该如何做出急救？实验结束后的废弃化学溶液，应如何处理？备注：遇到的问题可以到或是相关的课程资源网站中查询。六、例题分析真核细胞的直径一般在10~100um之间。生物体细胞体积趋向于小的原因是（）受细胞所能容纳的物质的制约 B.相对面积小，有利于物质的迅速转运和交换C.受细胞核所能控制的范围的制约D.相对面积大，有利于物质的迅速转运和交换【解析】CD细胞核的控制直径是有限的，所以细胞不能无限增大，同时细胞体积越小，相对表面积越大，这样物质运输的速率就越快。七、知识反馈（一）同步练习实验目的 TOC\o"1-5"\h\z本实验中不同大小的琼脂块模拟的 。NaOH溶液遇到酚酞试液变 。细胞越大，物质运输的效率越 ，所以多细胞生物都是由许多个细胞而不是由少数体积更大的细胞构成的。5•细胞体积越大,其表面积相对 ，细胞与周围环境之间物质交流的面积相对越小，所以物质运输的效率越 。6.实验用品 9•将琼脂块放入到烧杯内，用NaOH溶液将其淹没，浸泡1Omin。用塑料勺翻动琼脂块。注意：不要用勺子将琼脂块切开 。(二)检测过关1．下列有关细胞不能无限长大的原因中，不正确的是 ( )与细胞表面积和体积的比有关细胞核的大小是有一定限度的细胞体积过大不利于细胞内的物质交流细胞内各种细胞器的数目和种数限制TOC\o"1-5"\h\z2．下列细胞中最容易进行物质运输的是 ( )神经细胞 B.皮肤表皮细胞 C.卵细胞 D.胚胎干细胞3．当细胞的体积增大时，细胞体积与表面积的比值将 ( )减小 B.增大 C.不变 D.无法确定4．通常认为细胞生长到一定程度时，由于细胞代谢的需要，细胞将 ( )不再生长 B.死亡 C.分裂 D.消失目前，科学家发现生物界最小、最简单的细胞是 ( )原核细胞 B.病毒 C.支原体 D.衣原体下列关于细胞物质跨膜运输的叙述正确的是 ( )胚胎干细胞体积小、核大，物质运输速率较快哺乳动物成熟红细胞由于没有细胞核的控制作用，所以不能进行物质运输作用细胞膜上载体的种类和数量只影响主动运输动物细胞的细胞液浓度越大，物质运输速率越快下列关于细胞大小的叙述中，不正确的是 ( )细胞体积过大，细胞核的负担就会过重细胞体积增大过程中，细胞核内的DNA会随之增加细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大绿色植物细胞提及的大小，可能受限于液泡的大小探究细胞大小与物质运输的关系的实验原理不包括的是 ( )酚酞遇到NaOH呈现红色反应 B.以琼脂块的大小表示细胞大小C.以NaOH的扩散深度表示吸收速度D.以NaOH的扩散体积比表示吸收速度关于多细胞生物体的叙述中，错误的是 ( )多细胞生物体的生长，既靠细胞生长，又靠细胞分裂不同动物同类组织的细胞大小差异不明显某器官大小主要决定于细胞数量的多少生物体生长时，细胞体积越大，物质运输速率越快，生物体生长越快关于细胞大小与物质运输效率的关系的叙述中，错误的是 ()体积越大，物质运输效率相对越高体积越小，物质运输效率相对越高表面积与体积的比值越大，物质运输效率相对越高表面积与体积的比值越小，物质运输效率相对越高A.①③ B.②④ C.①④ D.②③11、 真核细胞的直径一般在10~~100um之间，生物体细胞体积受限的原因不包括 （）受细胞所能容纳的物质制约表面积与体积的比值越小，有利于物质的迅速转运和交换受细胞核所能控制的范围制约表面积与体积的比值越大，有利于物质的转运和交换生物体内细胞代谢速率与物质扩散的速率有关。同种物质虽然在细胞中扩散的速率基本相同，但细胞大小不同，扩散的快慢会有差异。有人设计了一种模型，用于研究这一问题。根据教科书P110页所提供的材料用具完成以下实验步骤：用小刀将琼脂块（内含酚酞）切成三块边长分别为3cm,2cm和1cm的立方体。将以上三块琼脂样品浸在质量分数为0.1%的MaOH溶液中，处理1Omin。取出琼脂块样品，吸干浮液后，分别将每一样品切成两半，观察切面，测量每一切面上NaOH扩散的深度，记录结果。请分析回答：（1） 请你为此研究拟定一个课题名称： （2） 该研究中所用的细胞模型是： ⑶实验时，在样品中加入酚酞是用以检测NaOH在琼脂块中的扩散深度，原因是 。⑷计算得出样品有关数据如上表：通过上表比值分析，你得出的结论 。据此推测三个样品中，NaOH扩散深度依次为 。⑸通常情况下，细胞边长小于0.1cm。根据上述研究，可以对细胞大小与物质扩散之间的关系作出合理的解释: 八、高考链接（一） 高考导航本实验是高中生物学中的一个典型考查引导式探究实验，历年来高考中的考查主要是以选择题的形式出现，考查细胞大小与物质运输速率的关系，属于基础知识的范畴，高考中此知识点重现率较低。（二） 真题解析（2005年•江苏）生物膜系统在细胞生命活动中的作用主要体现在 多选（）在细胞内外的物质运输等过程中起决定性作用使核内遗传信息的传递不受细胞质的影响广阔的膜面积为酶提供了大量的附着位点使细胞的结构和功能区域化【解析】ACD生物膜上含有丰富的载体蛋白，为物质运输提供了运输条件。核内遗传信息的传递主要路线是借助细胞核膜上的核孔来完成的。广阔的膜面积为酶提供了分舵附着位点，使化学反应的速度大大提升。同时各细胞器膜保证了各自内部反应的相对独立性，相互之间不干扰，使细胞的结构和功能更加区域化。2.（2005年•北京）结合表中数据，指出下列叙述错误的 （）成分线粒体膜蛋白质（质量分数%）脂类（质量分数%）外膜5248内膜7624内膜含有许多与有氧呼吸有关的酶内膜比外膜具有更多的功能内膜、外膜的化学组成大致相同内膜表面积大，导致蛋白质含量高【解析】D通常情况下，真核生物细胞有氧呼吸的第三阶段均发生在线粒体内膜上，所以内膜含有与有氧呼吸有关的酶，更能比外膜更复杂一些。内外膜的化学成分大致相同，都一磷脂双分子层作为基本骨架，以及蛋白质和少量多糖。生物膜面积的大小与膜内蛋白质含量的多少无关。（三）高考预测下列关于实验现象，实验步骤，以及实验注意事项的描述错误的是 （ ）苹果含有丰富的葡萄糖和果糖，常用做还原性糖的检测材料卵细胞体积较大有利于和周围环境进行物质交换，为胚胎早期发育提供所需养料显微镜下观察到的质壁分离是指细胞质和原生质层的分开可以用吡罗红和甲基绿混合染色剂对细胞中的DNA、RNA染色观察考点提示：本题主要考察了学生对实验现象的记忆，对实验过程的理解能力，以及分析解决问题的能力。【解析】答案B。B选项与本实验相关。其中卵细胞体积较大，但是表面积较小，这样表面积与体积的比值较小，物质运输速率相对较慢。九、课外作业（一）巩固训练TOC\o"1-5"\h\z1•大多数高等动植物细胞的体积一般在20~30um3之间，根据细胞模型的实验探究，有关细胞如此微小的分析正确的是 （ ）A.细胞太大物质运输所需时间相应增加B.细胞太小物质运输所需时间相应增加C.细胞增大将有利于存放更多的核糖体D.细胞太小遗传物质发挥作用容易动物细胞和植物叶肉细胞的功能差异较大，其主要原因是构成细胞膜的成分中（ ）A.脂质不同 B.磷脂不同C.蛋白质不同 D.水不同细胞膜将细胞与外界环境分隔开，起到的作用不正确的是 （ ）保障了细胞内部环境的相对稳定将生命物质与外界环境分隔开使细胞成为相对独立的系统使细胞内物质不能流失到细胞外，细胞外物质不能进入细胞内细胞与外界环境进行物质交换的速度取决于 （ ）A.细胞的核大小 B.细胞的表面积大小C.细胞的表面积与体积的比值 D.细胞分裂的快慢5．下列关于细胞相对表面积、细胞对外物质交换速率和细胞新陈代谢强度之间关系的叙述中正确的是 （ ）细胞的相对表面积越大，物质交换速率越快，细胞新陈代谢越旺盛细胞的相对表面积越大，物质交换速率越慢，细胞新陈代谢越慢细胞的相对表面积越小，物质交换速率越快，细胞新陈代谢越慢细胞的相对表面积越小，物质交换速率越慢，细胞新陈代谢越旺盛6．把正常的洋葱表皮置于质量分数为30%的蔗糖溶液中，洋葱表皮细胞发生质壁分离，这一过程中细胞对物质的运输速率将()A.逐渐增大 B.逐渐变小C.保持不变D.无法确定7.甘油、CO、CHOH等物质出入细胞的方式是()A.渗透作用B•自由扩散C.主动运输D.内吞作用8.肾小管上皮细胞对原尿中的葡萄糖、无机盐等有很强的吸收能力，与其功能相适应，在细胞内含有较多的细胞器是()①核糖体 ②线粒体③内质网④高尔基体A.①② B.②③C.③④D.①④9．葡萄糖在进入红细胞之前必须先与细胞膜上的载体结合，这种结合的速率会影响葡萄糖进入细胞的快慢。图中a、b、c分别代表甲、乙、丙三种不同细胞的葡萄糖的结合速率曲线，那么，在葡萄糖浓度低的情况下，这三种细胞对葡萄糖吸收快慢的程度是（ ）A.甲细胞的吸收最快、乙细胞次之 B.乙细胞的吸收最快、丙细胞次之C.丙