渗透吸水和质壁分离实验机理的探究

成熟的植物细胞能够通过渗透作用从土壤中吸收水分，其吸水的机理与成熟植物细胞的结构密切相关。为了验证植物细胞能够通过渗透作用吸收水分，高中生物教材中，安排了《观察植物细胞质壁分离与复原》这个学生实验，但是因为对一些相关的概念常混淆不清，学生在学习渗透吸水和质壁分离的机理难深入理解，在此，笔者作一理顺，供大家参考。

一、半透膜与选择性透过膜：

半透膜是指某些物质可以自由通过，而另一些物质则不能通过的多孔性薄膜。这种膜可以是生物膜，也可以物理性膜。如：动物的膀胱膜、肠衣、蛋壳膜等，还有人工制成的半透膜如玻璃纸、胶棉膜等。物质能否通过半透膜，一是取决于膜两侧的浓度差，即只能从高浓度的一侧向低浓度的一侧移动；二是取决于该物质颗粒直径的大小，即某物质颗粒直径只有小于半透膜的孔径才能自由通过，否则不能。另外，标准的半透膜应是没有生物活性的，膜上无载体，膜两侧也无电性上的差异。物质通过半透膜遵循扩散作用的原理，是自由扩散过程。

选择性透过膜是具有生物活性的生物膜，这种膜可以让水分子自由通过，选择吸收的离子和小分子也可以通过，其它的离子和小分子和大分子物质则不能通过。物质通过选择性透过膜不仅与被运送物质的颗粒大小和膜两侧的浓度差有关，而且与该物质的极性和膜上的载体、提供的能量也密切相关。物质出入细胞膜不仅可以以自由扩散、协助扩散方式从高浓度的一边进入低浓度的一边，也可以根据生理需要以主动运输的方式从低浓度一边到高浓度一边有选择地吸收某些物质。

综上所述，半透膜与选择透过性膜的根本区别在于有无主动运输过程。选择透过性膜并不是典型的半透膜，因为它只是对各种物质的透性有差别。成熟的植物细胞一般都有大液泡，其液泡膜和细胞外的细胞膜都是选择性透过膜，它们与细胞内的细胞质一起组成的整个原生质层就是一层选择透过性膜，可以当作“半透膜”。

还应当注意的是，当选择性透过膜丧失活力后，就成了一般的半透膜。如用水洗涤苋菜时，液泡内的色素不会渗出细胞，水不变成红色，但当苋菜煮成菜汤时，菜汤就成了红色了，这是细胞在高温下死亡，选择透过性膜成为半透膜，因此液泡内的色素透过膜逸出，使锅内的水变成了红色。

二、水的渗透作用与自由扩散

自由扩散是物质通过细胞膜出入细胞的三种主要方式之一，又称为简单扩散，被选择吸收的物质从高浓度的一边通过细胞膜到达低浓度的一边。自由扩散不需要消耗能量细胞本身的代谢能量，自由扩散的动力是细胞膜两侧物质的浓度梯度。而渗透作用是指水分子通过半透膜的扩散。渗透作用必须具备两个条件：一是具有半透膜，二是半透膜两侧的溶液具有浓度差。发生渗透作用时，水分子扩散由溶液的低浓度一侧向高浓度一侧扩散。

从以上两者的概念及特点可知，自由扩散是物质出入细胞的一种方式，是细胞的生理作用；渗透作用可以是纯物理现象，不一定发生在生活细胞的生命活动中，只有当细胞吸水或失水时，渗透作用才是细胞的一种生理作用。

从物质通过细胞膜的三种方式中，只有自由扩散而没有渗透作用。水分子也是通过细胞膜出入细胞的（如细胞的吸水和失水），因此水分子出入细胞的方式应属于三种方式之一。由于水分子出入细胞并不需要载体，也不需要消耗细胞的代谢能量，水分子出入细胞的方式属于自由扩散。水分子的扩散方向是从溶液的低浓度一侧到达高浓度一侧，即从单位体积溶液中水分子数多的一侧到达水分子少的一侧。

自由扩散既可发生在溶液也可发生在气体中，如叶肉细胞通过自由扩散吸收氧、放出二氧化碳。渗透作用只发生在溶液中，两者不同。在实际应用中，自由扩散一般用于溶质、气体分子出入细胞，渗透作用专指水分子（或其它溶剂分子）出入细胞。

三、植物细胞的渗透吸水和质壁分离及复原

成熟的植物细胞因为其原生质层可以当作“半透膜”，并且大液泡内还存在着大量的各种化合物，如：糖类、生物碱、有机酸等，具有一定的浓度，液泡内的细胞液与外界溶液之间存在着一定的浓度差，因此成熟的植物细胞与外界溶液间就形成了一个典型的渗透系统。当外界溶液浓度大于细胞液浓度的时候，单位时间内细胞失水大于吸水的数量，植物细胞壁与原生质层分离，这就是质壁分离；当外界溶液浓度小于细胞液浓度的时候，单位时间内植物细胞吸水的量大于失水的量，植物细胞壁与原生层复原。因此我们可以利用观察植物细胞质壁分离与复原的实验，来验证具有大液泡的植物细胞可以渗透吸水。

在这个实验中，因为植物细胞的原生质层实际上是选择透过性膜，并不是真正严格的半透膜，因此当我们选用小分子物质或离子化合物（如尿素、硝酸钾等）做这个实验时，往往会出现质壁分离很快复原的现象，原因就在于这些物质较容易被植物细胞选择吸收，小分子或离子进入细胞内后，细胞内溶液浓度升高，导致细胞又重新吸水而使植物细胞质壁分离复原。而如果选用死细胞来做这个实验时，因为选择性透过膜受到破坏，一般就很难观察到质壁分离的现象。

总之，成熟的植物细胞可以通过渗透作用吸水，这是与植物细胞本身的结构密切相关的：因为有原生质层，相当于半透膜；膜两侧—细胞液与外界溶液存在着浓度差，因此一个成熟的植物细胞就是一个典型的渗透作用装置，当细胞液浓度大于外界溶液的时候，植物细胞就能从外界环境中吸收水分了，这对于植物来说是非常重要的。“植物细胞渗透吸水”这部分知识是绿色植物新陈代谢中的一个难点。