高考生物备考手册：重要知识点梳理（121）

十八、脱分化与再分化

在植物组织培养中，脱分化和再分化是两个至关重要的过程。这些过程不仅揭示了植物细胞的可塑性，还为农业和生物技术领域提供了巨大的应用潜力。

脱分化

脱分化是指由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程。愈伤组织是一种未分化的细胞团，具有极强的分裂能力。这一过程通常发生在离体培养条件下，通过特定的激素处理（如生长素和细胞分裂素）来诱导。

例如，在胡萝卜根部细胞的培养中，经过适当的激素处理后，原本已经高度分化的根细胞可以逐渐失去其原有的形态特征，转变为无序排列的愈伤组织细胞。这些细胞不再具有特定的功能，而是处于一种“去分化”状态，准备接受进一步的诱导以形成新的结构。

脱分化的过程不仅是细胞形态上的变化，更是基因表达模式的根本转变。原本在分化细胞中被抑制的某些基因重新激活，而一些与细胞分裂和增殖相关的基因则开始大量表达。这种基因表达的变化使得细胞能够摆脱原有分化状态的限制，重新获得多能性。因此，脱分化不仅是形态学上的逆转，更是一个复杂的分子生物学过程。

再分化

再分化是指脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化成根、芽等器官的过程。这个过程同样依赖于外源激素的调控，但与脱分化不同的是，再分化过程中需要更加精确的激素配比和环境条件控制。例如，在愈伤组织向根的再分化过程中，通常需要较高的生长素浓度；而在向芽的再分化过程中，则需要较高的细胞分裂素浓度。

再分化不仅仅是细胞形态的恢复，它还涉及到细胞命运的决定。在这个过程中，愈伤组织中的细胞会根据外界信号重新选择其发育路径，最终形成特定的器官。这一过程涉及多个信号通路的协同作用，包括植物激素信号、细胞间信号传导以及表观遗传调控等。

研究表明，不同的植物种类在再分化过程中表现出显著的差异，这反映了植物对环境适应性的多样性。

此外，再分化还可以应用于植物克隆技术。通过诱导愈伤组织再分化为完整的植株，科学家们可以在短时间内获得大量的遗传一致的植株，这对于作物改良和新品种选育具有重要意义。例如，利用烟草愈伤组织的再分化，研究人员成功培育出了抗病虫害的新品种，大大提高了农作物的产量和质量。

十九、细胞株与细胞系

动物细胞培养是现代生物学研究的重要手段之一，广泛应用于药物筛选、基因编辑、细胞治疗等领域。在长期的细胞培养过程中，细胞株和细胞系的概念至关重要。

细胞株

细胞株是指从原代培养的细胞中分离出来的能够在体外连续传代的细胞群体。原代培养的细胞一般传10代左右就不容易传下去了，细胞的生长会出现停滞，大部分细胞衰老死亡。然而，有极少数的细胞能够度过“危机”并继续传下去，这些存活的细胞一般能够传40-50代，这样的传代细胞称为细胞株。

细胞株的特点是其遗传物质相对稳定，保持了原始细胞的基本特性。它们在形态、功能和代谢等方面与原代细胞相似，因此非常适合用于基础研究和初步实验。例如，在肿瘤研究中，使用细胞株可以模拟肿瘤细胞的早期行为，帮助科学家了解癌变初期的分子机制。

此外，细胞株还常用于药物筛选，因为它们能够提供一个相对稳定的实验平台，减少因细胞变异带来的实验误差。

细胞系

当细胞株传至50代以后，又会出现“危机”，不能再传下去。但是，有部分细胞的遗传物质发生了改变，并且带有癌变的特点，有可能在培养条件下无限制地传下去，这种传代细胞称为细胞系。细胞系的出现标志着细胞在体外培养过程中发生了显著的遗传改变，通常表现为染色体数目异常、基因突变等。

细胞系的一个显著特点是其无限增殖的能力，这是由于某些关键基因的突变导致细胞失去了正常的生长调控机制。例如，人类宫颈癌细胞系HeLa就是典型的细胞系代表。HeLa细胞来源于一位名叫Henrietta Lacks的患者，因其无限增殖能力和广泛的适应性，成为全球实验室中最常用的细胞系之一。

细胞系的广泛应用不仅推动了癌症研究的发展，还在病毒学、免疫学等多个领域发挥了重要作用。

然而，细胞系的无限增殖能力也带来了潜在的风险。由于其遗传不稳定性和异质性，细胞系在长期培养过程中可能会积累更多的突变，从而影响实验结果的可靠性和重复性。因此，在使用细胞系进行实验时，必须严格控制实验条件，确保数据的真实性和准确性。

二十、合成代谢、分解代谢和中间代谢

新陈代谢是生命活动的核心，它涵盖了生物体内所有化学反应的总和。根据能量转换的方向，新陈代谢可以分为合成代谢、分解代谢和中间代谢三个主要过程。

合成代谢

合成代谢，又称同化作用，是指在新陈代谢过程中，生物体把从外界环境中摄取的营养物质转变成自身的组成物质，并储存能量的过程。这一过程涉及多种生化反应，如蛋白质合成、核酸合成、脂肪合成等。合成代谢的关键在于将简单的分子转化为复杂的生物大分子，同时消耗能量。

例如，氨基酸通过翻译过程合成蛋白质，核苷酸通过复制和转录过程合成DNA和RNA，脂肪酸通过酯化反应合成甘油三酯。

合成代谢不仅限于构建生物大分子，还包括细胞器的组装和细胞骨架的形成等。在植物中，光合作用是合成代谢的典型例子，叶绿体通过光能将二氧化碳和水转化为葡萄糖，为植物提供能量储备。在动物中，肝脏是合成代谢的主要场所，负责合成各种必需物质，如血浆蛋白、脂类和糖原等。

分解代谢

分解代谢，又称异化作用，是指在新陈代谢过程中，生物体将自身的组成物质分解以释放能量，并将代谢终产物排出体外的过程。分解代谢的主要目的是通过氧化反应将复杂的有机物分解为简单的小分子，同时释放出能量供细胞使用。常见的分解代谢途径包括糖酵解、三羧酸循环（TCA循环）和电子传递链等。

糖酵解是分解代谢的第一步，将葡萄糖分解为丙酮酸，产生少量ATP和NADH。接下来，丙酮酸进入线粒体，在TCA循环中被进一步氧化，生成二氧化碳和更多的NADH及FADH2。最后，这些还原型辅酶通过电子传递链将电子传递给氧气，生成水的同时释放大量能量，驱动ATP合成。

整个过程中，分解代谢不仅为细胞提供了能量，还产生了许多重要的中间产物，如乙酰辅酶A、草酰乙酸等，这些物质可以参与其他代谢途径，维持细胞正常功能。

中间代谢

中间代谢是指新陈代谢中间过程的总称，涵盖了从初级代谢产物到次级代谢产物的一系列转化反应。中间代谢不仅连接了合成代谢和分解代谢，还涉及众多特异性代谢途径，如氨基酸代谢、脂肪酸代谢、核苷酸代谢等。这些代谢途径相互交织，形成了复杂而精细的调控网络，确保生物体在不同环境下能够高效地利用资源。

例如，氨基酸代谢途径可以将多余的氨基酸降解为氨和碳骨架，氨通过尿素循环排出体外，而碳骨架则进入TCA循环进一步氧化供能。脂肪酸代谢则通过β-氧化途径将长链脂肪酸分解为乙酰辅酶A，参与能量代谢。核苷酸代谢则负责合成和降解DNA和RNA所需的原料，确保遗传信息的准确传递。

合成代谢、分解代谢和中间代谢共同构成了新陈代谢的整体框架，通过精密的调控机制，保证了生物体的能量供应和物质平衡。

二十一、渗透作用与扩散作用

扩散和渗透是物质运输的两种基本方式，它们在细胞内外物质交换中起着至关重要的作用。

扩散

扩散是指自由扩散，即水分子或其他物质的分子从高浓度区域向低浓度区域的自由运动。这种运动是自发的，不需要外界对它做功（不耗能）。扩散的动力来自于浓度梯度，物质分子总是倾向于从高浓度区向低浓度区移动，直到达到平衡状态。扩散速度取决于物质的性质、温度和浓度差等因素。

例如，CO2、O2、H2O、胆固醇、甘油等小分子可以通过扩散迅速穿过细胞膜，实现气体交换和水分调节。

扩散不仅存在于细胞内部，也在细胞与外界环境之间发生。例如，肺泡中的氧气通过扩散进入血液，红细胞中的二氧化碳通过扩散排出体外。扩散还是细胞内物质运输的主要方式之一，如离子通道介导的离子扩散，确保细胞内外离子浓度的动态平衡。

渗透

渗透是指水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散，是扩散的一种特殊形式。因此，水分子通过细胞膜的方式可以说是自由扩散，又可以说是渗透。而CO2、O2等物质的扩散只能是自由扩散而不能称为渗透。渗透作用的关键在于半透膜的选择性透过性，它只允许水分子或某些小分子通过，阻止较大分子的通过。

渗透作用在生物体内具有广泛的应用。例如，植物根部吸收水分的过程就是典型的渗透现象。土壤溶液中的水分通过根毛细胞壁和细胞膜进入根细胞内部，形成浓度差，进而推动水分向上运输。渗透作用还与细胞的膨压有关，植物细胞通过调节细胞内外的渗透压来维持细胞形态和功能。

动物细胞同样依赖渗透作用维持细胞内外的水分平衡，防止细胞过度膨胀或收缩。

渗透压与渗透调节

渗透压是指溶液中溶质微粒对水分子的吸引力，它是影响渗透作用的重要因素。高渗溶液会使细胞失水，导致细胞皱缩；低渗溶液则使细胞吸水，导致细胞膨胀甚至破裂。等渗溶液则不会引起细胞体积的显著变化。生物体通过多种机制来调节渗透压，以维持细胞内外环境的稳定。

例如，肾脏通过肾小球滤过和肾小管重吸收作用，调节体内水分和电解质的平衡。植物则通过根部吸收和蒸腾作用来调节水分含量，确保细胞内外渗透压的平衡。渗透调节对于维持生物体的正常生理功能至关重要，任何失调都可能导致严重的健康问题。

二十二、蒸馏、蒸发与蒸腾作用

蒸馏、蒸发和蒸腾作用是三种与水分相关的重要物理过程，它们在自然界和工业生产中都有广泛的应用。

蒸馏

蒸馏是将液体混合物加热沸腾，使其中沸点低的组分首先变成蒸汽，再冷凝成液体，以与其他组分分离或除去所含杂质的方法。蒸馏是化学工业中常用的一种分离纯化技术，广泛应用于石油炼制、酒精提纯等领域。蒸馏的基本原理是利用不同物质的沸点差异，通过加热使目标物质挥发，然后在冷却装置中重新凝结为液态。

例如，在石油炼制过程中，原油经过多次蒸馏，可以分离出汽油、柴油、煤油等多种产品。蒸馏还可以用于提取天然香料、精油等高附加值产品，提高资源利用率。蒸馏过程中需要注意温度控制和压力调节，以确保分离效果和产品质量。

蒸发

蒸发是指液体表面缓慢地转化成气体的过程。蒸发速率受温度、湿度、风速和液体表面积等因素的影响。蒸发不仅是一个物理过程，也是一个热力学过程，伴随着热量的吸收。例如，汗水通过蒸发带走人体表面的热量，起到降温作用。

蒸发也是大气水循环的重要环节，海洋、湖泊和河流中的水分通过蒸发进入大气，形成云雾，最终通过降水返回地面。

蒸发在日常生活和工业生产中也有广泛应用。例如，晾晒衣物、干燥粮食、浓缩果汁等都离不开蒸发的作用。蒸发还可以用于环保领域，如废水处理中通过蒸发去除有害物质，降低污染风险。

蒸腾作用

蒸腾作用是指植物体内的水分，主要以水蒸气的形式通过叶的气孔散失到大气中的过程。蒸腾作用不仅是植物水分运输的主要动力，还对植物的生理功能有着深远影响。通过蒸腾作用，植物可以从根部吸收水分和矿物质，将其输送到各个部位，满足生长需求。同时，蒸腾作用还起到了调节体温的作用，类似于人体出汗。

蒸腾作用受到多种因素的影响，如光照强度、温度、湿度、风速和土壤水分状况等。强光和高温会加速蒸腾作用，而高湿度和低风速则会减缓蒸腾速率。植物通过调节气孔开闭来控制蒸腾量，以适应不同的环境条件。例如，在干旱条件下，植物会关闭气孔以减少水分流失，但在湿润环境中则会适当开放气孔以促进气体交换。

蒸腾作用在农业生产中具有重要意义。合理的灌溉管理可以优化蒸腾作用，提高作物的水分利用效率。此外，蒸腾作用还与大气水循环密切相关，通过蒸腾作用释放到大气中的水分可以形成降雨，滋润大地，促进生态系统的良性循环。

蒸馏、蒸发和蒸腾作用虽然在形式上有所不同，但它们都是水分在不同环境下的表现形式，对自然界的物质循环和能量流动起着不可替代的作用。