教材思考问题和课后习题答案

第1节细胞的增殖

问题探讨：

象与鼠的个体大小相差十分悬殊。

讨论：

1. 请推测象与鼠相应器官和组织的细胞大小差异如何？

2. 生物体的长大，是靠细胞数量的增多还是靠细胞体积的增大？

本节聚焦：本节聚焦

·细胞为什么不能无限长大？

·细胞通过什么方式增殖？

·什么叫做细胞周期？

·细胞有丝分裂的过程是怎样的？它有什么生物学意义？

·细胞的无丝分裂有什么特点？

多细胞生物体体积的增大，即生物体的生长，既靠细胞生长增大细胞的体积，还要靠细胞分裂增加细胞的数量。事实上，不同动（植）物同类器官或组织的细胞大小一般无明显差异，器官大小主要决定于细胞数量的多少。

细胞不能无限长大

你想过没有，细胞为什么都那么微小呢？什么因素限制了细胞的长大？你可能会说，细胞体积越大，需要的营养物质越多，需要排出的代谢废物也越多，物质的输入和输出会遇到困难。但是，随着细胞的长大，细胞膜的面积不也在扩大吗？让我们通过下面的模拟实验来探讨。

实验 细胞大小与物质运输的关系

目的要求

通过探究细胞大小，即细胞的表面积与体积之比，与物质运输效率之间的关系，探讨细胞不能无限长大的原因。

材料用具

3cm × 3cm × 6cm的含酚酞的琼脂块（NaOH和酚酞相遇，呈紫红色）。塑料餐刀，防护手套，毫米尺，塑料勺，纸巾，烧杯。质量分数为0.1%的NaOH溶液。

方法步骤

1.用塑料餐刀将琼脂块切成三块边长分别为3 cm、2 cm、1 cm的正方体。

2.将3块琼脂块放在烧杯内，加入NaOH溶液，将琼脂块淹没，浸泡10min。用塑料勺不时翻动琼脂块。注意：不要用勺子将琼脂块切开或挖动其表面。

3.戴上手套，用塑料勺将琼脂块从NaOH溶液中取出来。用纸巾把它们吸干，用塑料刀把琼脂块切成两半。观察切面，测量每一块上NaOH扩散的深度。每两次操作之间必须把刀擦干。警示：NaOH有腐蚀性，应避免与皮肤和眼睛等接触。如泼洒出来，应立即用水冲洗泼洒处，并告诉老师。

4.根据测量结果进行计算，并填写下表。

琼脂块的

边长/cm

表面积/cm:

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）

结论

琼脂块的表面积与体积之比随着琼脂块的增大而；NaOH扩散的体积与整个琼脂块的体积之比随着琼脂块的增大而。

讨论：

1.有什么证据说明NaOH扩散进琼脂块了？NaOH在每一琼脂块内扩散的速率是否相同？为什么？

2.大多数高等动植物细胞的直径为20-30 um。请计算直径分别为20 um和30 um的细胞的表面积与体积之比。

3.在相同时间内，物质扩散进细胞的体枳与细胞的总体积之比可以反映细胞的物质运输的效率。细胞的物质运输的效率与细胞大小之间是什么关系？为什么多细胞生物体是由许多细胞而不是由少数体积更大的细胞构成的？为什么细胞越大，物质运输的效率越低？

通过模拟实验可以看出，细胞体积越大，其相对表面积越小，细胞的物质运输的效率就越低。细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大。限制细胞长大的因素还有哪些呢？例如，细胞核是细胞的控制中心。一般来说，细胞核中的DNA是不会随着细胞体积的扩大而增加的。如果细胞太大，细胞核的“负担”就会过重。

随着对后面内容的学习，你对这一问题的理解会更加深入。

批判性思维：

既然细胞越小，细胞表面积相对就越大，细胞的物质运输的效率就越高，细胞体积不是越小越好吗？（提示：有人估计完成细胞的各项功能至少需要100种酶；每个酶促反应须占有直径约50 nm的空间；每个核糖体直径为10-20nm。）

细胞通过分裂进行增殖

单细胞生物体通过细胞增殖而繁衍。多细胞生物从受精卵开始，要经过细胞的增殖和分化逐渐发育为成体。生物体内，也不断地有细胞衰老死亡，需要通过细胞增殖加以补充。因此，细胞增殖是重要的细胞生命活动，是生物体生长、发育、繁殖、遗传的基础。

细胞以分裂的方式进行增殖。细胞在分裂之前，必须进行一定的物质准备。细胞增殖（cell proliferation）包括物质准备和细胞分裂整个连续的过程。

真核细胞的分裂方式有三种：有丝分裂、无丝分裂、减数分裂。

知识链接：

减数分裂是一种特殊方式的有丝分裂.它与有性生殖细胞的形成有关。相关内容参见《遗传与进化》第2章。

有丝分裂

有丝分裂（mitosis）是真核生物进行细胞分裂的主要方式。细胞进行有丝分裂具有周期性。即连续分裂的细胞，从一次分裂完成时开始，到下一次分裂完成时为止，为一个细胞周期（cell cycle）（图6-1）。一个细胞周期包括两个阶段：分裂间期和分裂期。

表6-1不同细胞的细胞周期持续时间（t/h）

细胞类型

分裂间期

分裂期

细胞周期

蚕豆根尖分生区细胞

15.3

2.0

17.3

小鼠十二指肠上皮细胞

13.5

1.8

15.3

人的肝细胞

21

22

人的宫颈癌细胞

20.5

1.5

22

从细胞在一次分裂结束之后到下一次分裂之前，是分裂间期（interphase）。细胞周期的大部分时间处于分裂间期 （表6-1)，大约占细胞周期的90%-95%。分裂间期为分裂期进行活跃的物质准备，完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成，同时细胞有适度的生长。

在分裂间期结束之后，就进入分裂期（mitotic phase）。分裂期是一个连续的过程，人们为了研究方便，把分裂期分为四个时期：前期、中期、后期、末期。下面以高等植物细胞为例，了解有丝分裂期的过程（图6-2，图6-3）。

前期：间期的染色质丝螺旋缠绕，缩短变粗，成为染色体。每条染色体包括两条并列的姐妹染色单体，这两条染色单体由一个共同的着丝点连接着（图6-4）。核仁逐渐解体，核膜逐渐消失。从细胞的两极发出纺锤丝，形成一个梭形的纺锤体。染色体散乱地分布在纺锤体的中央。

旁栏思考：有丝分裂的丝是指的什么？结合下文，理解它所起的作用

中期：每条染色体的着丝点的两侧，都有纺锤丝附着在上面，纺锤丝牵引着染色体运动，使每条染色体的着丝点排列在细胞中央的一个平面上。这个平面与纺锤体的中轴相垂直，类似于地球上赤道的位置，称为赤道板。中期染色体的形态比较稳定，数目比较清晰，便于观察。

后期：每个着丝点分裂成两个，姐妹染色单体分开，成为两条子染色体，由纺锤丝牵引着分别向细胞的两极移动。这时细胞核中的染色体就平均分配到了细胞的两极，使细胞的两极各有一套染色体。这两套染色体的形态和数目完全相同，每一套染色体与分裂前亲代细胞中的染色体的形态和数目也相同。

末期：当这两套染色体分别到达细胞的两极以后，每条染色体逐渐变成细长而盘曲的染色质丝。同时，纺锤丝逐渐消失，出现了新的核膜和核仁。核膜把染色体包围起来，形成了两个新的细胞核。这时候，在赤道板的位置出现了一个细胞板，细胞板由细胞的中央向四周扩展，逐渐形成了新的细胞壁。最后，一个细胞分裂成为两个子细胞。大多数子细胞进入下一个细胞周期的分裂间期状态。

动物细胞有丝分裂的过程，与植物细胞的基本相同 (图6-5，图6-6)。不同的特点是：第一，动物细胞有由一对中心粒构成的中心体，中心粒在间期倍增，成为两组。进入分裂期后，两组中心粒分别移向细胞两极。在这两组中心粒的周围，发出无数条放射状的星射线，两组中心粒之间的星射线形成了纺锤体。第二，动物细胞分裂的末期不形成细胞板，而是细胞膜从细胞的中部向内凹陷，最后把细胞缢裂成两部分，

每部分都含有一个细胞核。这样，一个细胞就分裂成了两个子细胞。

细胞有丝分裂的重要意义，是将亲代细胞的染色体经过复制（实质为DNA的复制）之后，精确地平均分配到两个子细胞中。由于染色体上有遗传物质DNA，因而在细胞的亲代和子代之间保持了遗传性状的稳定性。可见，细胞的有丝分裂对于生物的遗传有重要意义。

无丝分裂

细胞无丝分裂的过程比较简单，一般是细胞核先延长，核的中部向内凹进，缢裂成为两个细胞核；接着，整个细胞从中部缢裂成两部分，形成两个子细胞。因为在分裂过程中没有出现纺锤丝和染色体的变化，所以叫做无丝分裂。例如，蛙的红细胞的无丝分裂（图6-7)。

技能训练：解释现象

在有些个体较大的原生动物（如草履虫）的细胞中，会出现两个细胞核。有些原生动物的细胞中有用于手机和排泄废物的伸缩泡。

请根据本节所学知识，对这些现象作出解释。

一、基础题

1. 比较3个正方体模型，哪一个模型更能表示生物体细胞大小和数量的状况？

答 [ ]

2. DNA复制发生在：

A.间期；B.前期；C.中期；D.后期。

答 [ ]

3. 有丝分裂过程中，着丝点分裂发生在：

A.间期；B.前期；C.中期，D.后期。答[ ]

4. 动物细胞的有丝分裂过程与植物细胞明显不同的是：（可选多项）

A.间期有染色体的复制；

B.后期有着丝点的分裂；

C.中心粒周围出现星射线，形成纺锤体；

D.后期到末期染色体平均分配到两个子细胞中；

E.末期在细胞的中央不形成细胞板。 答[]

5. 关于无丝分裂名称的由来，主要原因是：

A.细胞分裂过程比较简单； B.分裂过程中无纺锤丝和染色体的出现；

C.分裂时细胞核先延长缢裂；D.分裂时整个细胞缢裂为两部分。 答[]

二、拓展题

1. 细胞作为生命活动的基本单位，其体积大小必然适应其代谢活动的要求，应有一定限度，因此高等动植物细胞的直径大约为几十微米。但也有例外，如卵细胞就特别大，鸵鸟卵细胞直径为5cm，鸡卵细胞直径为2-3 cm，人卵细胞直径为200 um。卵细胞为什么比较大呢？

2. 在下面的坐标图中画出有丝分裂染色体和DNA的数量变化曲线。

实验观察根尖分生组织细胞的有丝分裂

在高等植物体内，有丝分裂常见于根尖、芽尖等分生区细胞。由于各个细胞的分裂是独立进行的，因此在同一分生组织中可以看到处于不同分裂时期的细胞。通过在高倍显微镜下观察各个时期细胞内染色体的存在状态，就可以判断这些细胞各处于有丝分裂的哪个时期，进而认识有丝分裂的完整过程。染色体容易被碱性染料（如龙胆紫溶液）着色。

目的要求

1.制作洋葱根尖细胞有丝分裂装片。

2.观察植物细胞有丝分裂的过程，识别有丝分裂的不同时期，比较细胞周期不同时期的时间长短。

3.绘制植物细胞有丝分裂简图。

材料用具

洋葱（可用葱、蒜代替）。

显微镜，载玻片，盖玻片，玻璃皿，剪子，镊子，滴管。

质量分数为15%的盐酸，体积分数为95%的酒精，质量浓度为0.01g/mL或0.02g/mL 的龙胆紫溶液（将龙胆紫溶解在质量分数为2%的醋酸溶液中配制而成）或醋酸洋红液，洋葱根尖细胞有丝分裂固定装片。

方法步骤

一、洋葱根尖的培养

在上实验课之前的3-4d，取洋葱一个，放在广口瓶上。瓶内装满清水，让洋葱的底部接触到瓶内的水面。把这个装置放在温暖的地方培养。待根长约5cm时，取生长健壮的根尖制成临时装片观察。

二、装片的制作

制作流程为：解离→漂洗→染色→制片。

过程

方 法

时间

目的

解离

上午10时至下午2时（洋葱根尖分生区细胞处于分裂期的较多，这会因洋葱、品种、室温等的差异而有所不同），剪取洋葱根尖2-3mm，立即放入盛有盐酸和酒精混合液

（1:1）的玻璃皿中，在室温下解离。

3-5min

用药液使组织中的细胞相互分离开来。

漂洗

待根尖酥软后，用镊子取出，放入盛有清水的玻璃皿中漂洗。

约10min

洗去药液，防止解离过度。

染色

把根尖放进盛有质量浓度为0.01g/mL或0.02g/mL 的龙胆紫溶液（或醋酸洋红液）的玻璃皿中染色。

3-5min

龙胆紫溶液或醋酸洋红液能使染色体着色。

制片

用镊子将这段根尖取出来，放在载玻片上，加一滴清水，并用镊子尖把根尖弄碎，盖上盖玻片，在盖玻片上再加一片载玻片。然后，用拇指轻轻地按压载玻片。

使细胞分散开来，有利于观察

三、洋葱根尖细胞有丝分裂的观察

1. 把制成的装片先放在低倍显微镜下观察，扫视整个装片，找到分生区细胞：细胞呈正方形，排列紧密。再换成高倍显微镜仔细观察，首先找出分裂中期的细胞，然后再找前期、后期、末期的细胞，注意观察各时期细胞内染色体形态和分布的特点。最后观察分裂间期的细胞。

2. 如果自制装片效果不太理想，可以观察洋葱根尖固定装片。

3. 调节显微镜的放大倍数，使你能够在视野里同时看到约50个细胞，仔细统计视野中处于各时期的细胞数，记录在记录表“样本l”中。把视野移动到分生区一个新的区域再统计，然后记录在记录表“样本2”中。对数据进行整理，填入表中。

记录表

细胞周期

样本1

样本2

总数

每一时期的细胞数/ 计数细胞的总数

间期

分

裂

期

前期

中期

后期

末期

计数细胞的总数

四、绘图：绘出植物细胞有丝分裂中期简图。

五、有条件的学校，可以观察马蛔虫受精卵的有丝分裂固定装片。

结论

根据观察结果，用自己的语言描述植物细胞有丝分裂各个时期的特点。

讨论：

l. 在你的观察结果中，处于哪一时期的细胞最多？为什么？

2. 如何比较细胞周期不同时期的时间长短？你可以数一数视野中5个不同时期的细胞数目。统计全班的结果，求每个时期细胞数目的平均值。（提示：洋葱根尖细胞染色体数目为8对，一个细胞周期大约需要12h。

答案

（一）问题探讨

1.象与鼠相应器官和组织的细胞大小无明显差异。

2.生物体的生长，既靠细胞分裂增加细胞的数量，还要靠细胞生长增大细胞的体积。

（二）实验1

1.当NaOH与含酚酞的琼脂块相遇时，其中的酚酞变成紫红色，这是常用的检测NaOH的方法，从琼脂块的颜色变化就知道NaOH扩散到多远；在相同时间内，NaOH在每一琼脂块内扩散的深度基本相同，说明NaOH在每一琼脂块内扩散的速率是相同的。

2.根据球体的体积公式V=4/3πr3，表面积公式S=4πr2，计算结果如下表。

细胞直径

（μm）

表面积

（μm2）

体积

（μm3）

比值（表面积/体积）

20

1 256

4 187

0.30

30

2 826

14 130

0.20

3.细胞越大，物质运输的效率越低，所以多细胞生物体是由许多细胞而不是由少数体积更大的细胞构成的。细胞越大，需要与外界环境交流的物质越多；但是细胞体积越大，其表面积相对越小，细胞与周围环境之间物质交流的面积相对小了，所以物质运输的效率越低。

（三）实验2

1.间期的细胞最多。因为间期时间最长。

2.每一时期的时间=洋葱的细胞周期（12 h）×每一时期的细胞数占计数细胞总数的比例

（四）批判性思维 细胞体积的最小限度，是由完成细胞功能所必须的基本结构（如核糖体）和物质（如酶）所需要的空间决定的。

（五）旁栏思考题 有丝分裂的丝指的是纺锤丝。

（六）技能训练：限制细胞长大的因素主要有两方面。1.细胞表面积与体积的比。原生动物细胞中的伸缩泡就是增大膜表面积与体积的比。2.细胞的核质比，细胞核所控制的细胞大小与核的大小成比例。所以像草履虫这样个体较大的细胞有两个细胞核，保证正常的核质比。

（七）练习 基础题1.C。2.A。3.D。4.C，E。5.B。

拓展题 1.提示：卵细胞的卵黄中贮存了大量营养物质，卵裂初期所需的营养物质由卵黄提供，不是靠细胞外物质的输入；细胞的表面积与体积之比限制细胞的物质运输，而卵细胞内部储存了大量的营养物质，可以长得比较大。