绿色植物的矿质代谢

一、教学目的

  1. 使学生了解植物生活必需的元素种类及来源，以及土壤中矿质元素离子的存在形式。

  2. 使学生理解根细胞吸收溶解态离子的原理，掌握观察离子交换吸附现象的实验方法，明确吸收离子与吸收水分之间的关系，以及选择性吸收的特性。

  3. 明确植物体内矿质元素的存在形式及其利用特点。二、教学重点

  1. 根对溶解态离子的吸收原理。

  2. 植物体对矿质元素的利用。三、教学难点

  1. 根细胞与土壤溶液之间离子交换吸附。

  2. 根细胞对离子的选择性吸收特性，以及对土壤酸碱性（pH

    值）的影响。四、教学用具

洋葱幼根或新鲜的绿豆芽；表面皿 2 个；小烧杯 2 个；蒸馏水；剪刀； 镊子；0.01％亚甲基蓝溶液；0.1MCaCl■2 或 NH■4Cl 溶液。

五、教学方法

讲解法与实验法相结合。六、课时安排

2 课时连排。第 1 课时讲授植物生活的必需元素、根细胞对溶解态矿质

元素离子的吸收过程及原理，观察离子交换吸附现象。第 2 课时讲授选择性

吸收的特性，矿质元素的利用。本文只实录第 1 课时的教学过程。七、教学过程

（一）复习提问

师：组成动物细胞的化学元素中有哪些元素属于大量元素？

生：动物细胞的大量元素有：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁、氯等 12 种。

师：列举 6 种组成动物细胞的微量元素。生：锰、锌、铜、钴、钼、硼。

师：试说明无机盐的生理作用。

生：有些无机盐是细胞结构的组成物质，有些无机盐离子对生物体和细胞的离子平衡、渗透平衡、酸碱平衡起着调节作用。

师：植物生活需要哪些元素呢？植物体从外界环境怎样吸收必需元素， 又怎样利用各种必需元素呢？这就涉及到绿色植物的矿质代谢。

[板书本单元课题]

（二）讲授新知识

[板书：一、植物生活的必需元素1.必需元素的种类和来源]

[教师在学生阅读有关课文的前提下，以板书形式将有关知识归纳如下：

  • （分子形式吸收）矿质元素（主要以离子态从土壤中吸收）] 师：请同学们注意，植物与动物相比，缺少哪三种大量元素？ 生： Fe 和 Cl 列入微量元素，没有 Na 元素。

师：在植物生活中，必需元素的生理作用是任何元素不可代替的。

钠元素的生理作用可以被其他元素（如 K）所代替，因此，钠不属于植物生活的必需元素范围。

请同学思考一个问题，为什么说 C、H、O 三元素是以分子形式吸收的呢？ 生：C、H、O 是糖类等有机物的组成元素，■CO2 和■H2O 是光合作用合

成糖类的原料，■CO2 和■H2O 都是植物直接从外界环境中吸收的。[板书：2.土壤中矿质元素离子的存在形式]

师：土壤中的矿质元素，既可以化合物形式存在（如矿质颗粒中盐类、腐殖质中有机物），又可以离子形式存在。土壤中矿质元素离子的存在形式[板书]，有溶解态和吸附态两种，它们之间相互转化，而且两种形式的离子都能被吸收。■溶解态离子（少部分）（相互转化）（大部分）吸附态离子

师：请问哪位同学能解释吸附作用呢？ [无人举手或回答]

师：有时我们穿的化纤衣服会吸附一些尘土或粉尘。[一学生插话：静电反应]你说得很对！吸附实质上是静电引力造成的。土壤颗粒是一种复杂的颗粒，其表面往往带有负电荷，土壤溶液中的阳离子犹如点电荷，在土壤颗粒

表面电场作用下，处于不断地振动状态，这就是吸附态离子。吸附态阳离子一旦不受电

场力的束缚，又转化为溶解态阳离子。

[板书：二、植物体对矿质元素的吸收过程及其原理1.根细胞对溶解态离子的吸收过程]

师：根细胞从土壤中怎样吸收矿质元素离子呢？这就涉及到植物体对离子的吸收过程及原理[板书]。根尖的伸长区和根毛区表皮细胞，对溶解态和吸附态离子都能吸收，而且大多数吸附态离子的吸收过程，也是以土壤溶液作媒介，所以，我们只学习溶解态离子的吸收过程[板书]。溶解态离子的吸收过程用图解表示如下：■

有氧呼吸/交换吸附/主动吸收

师：概括地说，根细胞对矿质元素离子的吸收过程，是在离子交换吸附的基础上通过主动运输实现的，与有氧呼吸有着密切关系。

从图解中看出，有氧呼吸释放的■CO2 和■H2O，在根细胞中形成■ H2CO3，■H2CO3 解离成■H+和 HCO-3，通过细胞膜后被吸附在外表面；有氧呼吸过程形成大量 ATP，为矿质元素离子的主动吸收提供能量。

什么是交换吸附呢？它是指根细胞表面与土壤溶液之间发生的■H+与阳离子、■HCO-3 与阴离子的交换，溶解态离子经过交换后转化为细胞膜外表面的吸附态离子。交换吸附的速度快，但不消耗能量；细胞膜外表面吸附的离子不能被水冲洗掉，但能与其他离子交换吸附。

生：[举手要求提出问题]请问老师，土壤溶液中的■Ca2+，怎样与膜表面的■H+交换吸附呢？

师：你是考虑到两种离子的电负性差别吗？[学生点头]交换吸附必须是等量离子交换，也就是说，膜表面 2 个吸附态■H+与溶液中 1 个■Ca2+交换吸附。

为什么说膜外表面吸附态离子转移到细胞内部是一个主动吸收的过程呢？

生：需要细胞膜上的载体协助，消耗 ATP 提供的能量，这是一个主动运输的过程。

师：你的分析说明很正确。

[板书：2.实验观察交换吸附现象]

师：根细胞是否能与周围溶液之间发生离子交换吸附呢？同学们做一个观察实验。实验的方法步骤是：将桌上的幼根材料浸入盛有 0.01％亚甲基蓝溶液的小烧杯内，约 1 分钟后取出。用蒸馏水洗去浮色。将处理后幼根材料分成两组；一组放入盛有■0.1MCaCl2 溶液的表面皿中；一组放入盛有等量蒸馏水的表面皿中。数分钟后，比较观察各实验处理的幼根颜色和溶液颜色的变化。

[学生按照实验方法步骤进行实验操作]

师：[巡视学生实验操作进展状况]请各组同学将观察到的实验现象填写在实验报告的表格中，并思考一下如何解释你观察到的实验现象。等一会儿我将请一位同学介绍本组的实验现象。

学生按下列表格逐项说明填写的内容： 实验条件/材料/实验现象

主实验/■0.1MCaCl2 溶液/用 0.01％亚甲基蓝活体染色的幼根各 2 条/

根褪色，溶液变蓝

对照/等量蒸馏水/根和溶液不变色

师：[询问其他组学生的实验观察结果后]同学们观察到的实验现象都很正确。那么，请同学回答一个问题，用活体染色剂 0.01％亚甲基蓝液处理的幼根为什么呈蓝色？

[一学生站起若有所思而不语]

师：你是否想知道亚甲基蓝显色基团的电负性？[学生点头]我现在告诉同学们，蓝色显色基团是阳离子。

[同学们如释重负地噢了一声]

生：由于亚甲基蓝阳离子与细胞膜表面吸附的■H+发生交换吸附，使幼根呈蓝色。而且，吸附态亚甲基蓝阳离子不能被蒸馏水冲洗掉，所以，活体染色后的幼根漂洗浮色后仍呈蓝色。

师：请问活体染色的时间长短[学生答 1 分钟]，这又说明什么呢？ 生：离子交换吸附的速度快。

师：怎样解释置于■CaCl2 溶液中的幼根褪色而溶液变蓝的实验现象呢？

生：吸附在根细胞表面的亚甲基蓝阳离子，与溶液中■Ca2+发生交换吸附，使幼根褪色而溶液变蓝。

[板书：3.根细胞吸收离子与吸收水分之间的关系]

师：提醒同学们思考一个问题，根毛区既是吸收水分的最活跃区域，也是吸收矿质元素离子的最活跃区域。那么，两者是否是一个统一的吸收过程呢？或者说，矿质元素离子是随水而吸收的。为了探究吸收水分和吸收离子之间的关系，科学家们做过许多生理实验，例如，甘蔗白天的吸水速率比晚上大 10 倍，而对磷的吸收速率相等；将用营养液培养的黄瓜植株，由光照条件下转入黑暗处，水分吸收速率显著下降，对钾的吸收速率反而增大。根据这些实验结果，可以推测出怎样的结论呢？

生：两者吸收速率的消长变化没有相关性，反映出根细胞吸收水分和吸收离子不是一个统一的过程。

师：他的这个结论基本上是正确的，谁能够从吸收原理上找出进一步论证的依据？

生：根毛细胞吸收水分的原理是渗透吸水，既不需要载体，也不消耗能量；吸收矿质元素离子的原理则是在交换吸附基础上的主动运输，既需要载体，又消耗能量，这也表明吸收水分和吸收离子是两个过程。

师：论证充分。但是，两个吸收过程之间没有丝毫联系吗？ [学生若有所思但无人举手]

师：两者均以根毛区为最活跃的吸收区域，这就为两者的相互联系打下结构基础。

[学生点头表示赞同]

师：矿质元素离子的吸收以水为介质，细胞液中离子浓度大小必将影响吸水速率。因此说，吸收水分和吸收矿质元素离子是两个相对独立的过程。

（三）巩固新知识

  1. 请用短线将发生交换吸附的离子连起来。

■根细胞 H+HCO3-

土壤溶液 NH4+NO3-Mg2+PO43-

  1. 将亚甲基蓝溶液活体染色的幼根材料分成四组，分别置于下述溶液中 ， 其

    幼 根 褪 色 和 溶 液 变 蓝 最 显 著 的 是 （ ） ■ A.0.1MCaCl2B.0.1MNH4ClC.0.2MCaCl2D.0.2MFeCl3