# 水分吸收与运输

> 生物学 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u7-water-uptake-and-movement/

本子主题涵盖水分如何进入植物根系，穿过根组织到达木质部，再沿茎向上运输至叶片的过程。你将学习水分运输的核心途径和驱动其运输的核心生物学机制。

**先修:** [渗透作用与水势](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u2-osmosis-water-potential/); [植物细胞与组织结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u1-plant-cell-structure/)

## 学习目标

- 解释根毛细胞如何从土壤吸收水分
- 描述水分穿过植物根的三种运输途径
- 解释木质部水分向上运输的内聚张力学说
- 概述水分从叶片木质部到大气的运输过程

## 根毛细胞对水分的吸收

**根毛细胞** — 植物根上特化的表皮细胞，适应性结构使其能最大程度从土壤吸收水分和矿质离子

*例:* 一个成熟的根可以有超过1亿根根毛，可使根的表面积增加最多100倍

根毛细胞有几个关键适应性特征：细长的突起最大程度增加了吸收表面积，薄细胞壁缩短了扩散距离，液泡中积累的溶质使其水势低于（更负）土壤水的水势。

**例题:** 解释为什么水分会从土壤进入根毛细胞，已知土壤水势为-20 kPa，根毛液泡的水势为-300 kPa

1. 水分通过渗透作用沿水势梯度运输，从水势较高（负值更小）的区域穿过选择透过性膜流向水势较低（负值更大）的区域。
2. 在本例子中，土壤的水势（-20 kPa）高于根毛细胞液泡的水势（-300 kPa），形成了陡峭的水势梯度。
3. 因此水分通过渗透作用穿过细胞质膜进入根毛细胞。

> **考试提示:** 解释植物运输中的渗透作用时，一定要参考水势梯度，不要只描述浓度差。

## 水分穿过根的运输途径

进入根毛细胞后，水分会穿过根皮层到达内皮层和木质部，共有三种可能的途径：

**质外体途径** — 水分通过非活性组分运输：多孔的细胞壁和细胞之间的间隙。该途径中水分从不穿过细胞膜。

**共质体途径** — 水分通过活细胞的细胞质运输，相邻细胞之间通过胞间连丝（细胞质桥）相互连接。

**液泡途径** — 水分除了细胞质和胞间连丝外，还会穿过每个细胞的液泡进行运输。这是水分运输最慢的途径。

- 在根皮层最内层的内皮层处，质外体途径会被凯氏带阻断，凯氏带是内皮层细胞壁中的蜡质不透水层。
- 这种阻断迫使所有水分穿过内皮层细胞膜，使植物可以控制哪些矿质溶质进入木质部。

**例题:** 解释为什么所有运输到木质部的水分都必须经过内皮层细胞的细胞质

1. 内皮层细胞的细胞壁中嵌入了一层名为凯氏带的蜡质不透水层。
2. 凯氏带阻断了质外体途径，也就是水分通过细胞壁运输的途径。
3. 水分无法通过细胞壁绕过内皮层细胞，因此必须穿过细胞膜进入内皮层细胞质才能到达木质部。

> **考试提示:** 一定要明确说明凯氏带只阻断质外体途径，并非阻断所有水分运输。

## 木质部水分向上运输的机制

即使是非常高大的树木，水分也需要从根出发，沿茎中的木质部向上运输到叶片。目前公认的主要运输机制是内聚张力学说，根压仅在小型植物中起到次要作用。

**内聚张力学说** — 该模型中，蒸腾作用（水分从叶片蒸发）产生负张力，拉动连续的水柱沿木质部向上运动，水柱靠水分子之间的内聚氢键连接在一起。

> **info**
>
> 附着力是水分子和木质部亲水性纤维素细胞壁之间的吸引力，也有助于防止水柱在重力作用下断裂。

**例题:** 根据内聚张力学说，解释木质部导管适应水分运输的两个特征

1. 第一，木质部导管是死亡的中空细胞，没有细胞质和细胞器，这意味着大流量水分流动受到的阻力非常小。
2. 第二，木质部细胞壁被木质素加厚，强度高，使导管能够抵抗蒸腾拉力产生的负张力，不会塌陷。
3. 第三（第三个适应性特征），导管直径较窄，通过水和细胞壁之间的附着力帮助维持连续的水柱。

## 水分从叶片到大气的运输

水分到达叶片的木质部后，会沿水势梯度流出进入叶肉细胞。水分从叶肉细胞壁表面蒸发，进入叶片内部的气腔，然后通过开放的气孔扩散到大气中，这个过程称为蒸腾作用。

**例题:** 概述水分从叶片木质部到叶片外大气的运输顺序

1. 由于持续蒸发，叶肉细胞的水势低于叶片木质部的水势，因此水分从木质部流出进入叶肉细胞。
2. 水分从叶肉细胞壁表面蒸发，进入叶片内部的气腔。
3. 叶片内部的水蒸气压高于外部，因此水蒸气通过开放的气孔扩散到大气中。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为水分通过扩散而非渗透作用进入根毛细胞
  - 原因: 扩散描述的是溶质/气体沿自身浓度梯度的运动；水分穿过选择透过性膜的运动特指渗透作用。
  - 正确做法: 始终要说明水分进入植物细胞是沿水势梯度通过渗透作用发生的。
- **错误做法:** 声称凯氏带阻断了所有穿过内皮层的水分运输
  - 原因: 它只阻断质外体（细胞壁）途径，不会完全阻止水分运输。
  - 正确做法: 应说明凯氏带阻断质外体途径，迫使水分走共质体途径，从而让植物可以控制溶质进入。
- **错误做法:** 描述内聚张力学说时混淆内聚力和附着力
  - 原因: 很多学生混淆这两个术语：内聚力是水分子之间的吸引力，附着力是水和木质部细胞壁之间的吸引力。
  - 正确做法: 内聚力将水柱结合在一起；附着力防止水柱断裂。记住：*内*聚力 = 水分子之间*结*合在一起
- **错误做法:** 声称根压是驱动高大树木水分向上运输的主要力
  - 原因: 根压是微弱的正压，仅对矮小短植株的水分运输有贡献。
  - 正确做法: 始终要说明，内聚张力学说（由蒸腾拉力驱动）是所有植物（尤其是高大树木）木质部水分向上运输的主要机制。

## 速查表

| 组分 | 描述 | 考试核心要点 |
| --- | --- | --- |
| 质外体途径 | 通过细胞壁 / 细胞间隙 | 在内皮层被凯氏带阻断 |
| 共质体途径 | 通过细胞质 / 胞间连丝 | 始终开放，受细胞膜调控 |
| 液泡途径 | 通过细胞液泡 | 水分运输最慢的途径 |
| 内聚张力 | 木质部运输的主要机制 | 由蒸腾拉力和水分子内聚力驱动 |
| 根压 | 离子吸收产生的微弱正压 | 仅在小型植物中起次要作用 |
| 凯氏带 | 内皮层细胞壁中的蜡质层 | 迫使水分走共质体途径，控制溶质进入 |

## 下一步

掌握水分的吸收和运输是理解蒸腾作用、植物对不同环境的适应性以及韧皮部有机溶质运输的基础。本子主题经常与探究蒸腾速率的要求实践一起考查，还关联到植物对水分胁迫响应的相关问题。理解内聚张力学说和水分运输途径将帮助你解答CIE考试中所有关于植物运输的选择题和扩展回答题。

- [蒸腾作用](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u7-transpiration/)
- [同化物转运](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u7-translocation/)
- [旱生植物适应性](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u7-xerophyte-adaptations/)

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