细胞生活的环境
教材及思考问题和课后习题答案
教材
第1章 人体的内环境与稳态
无论是在冰天雪地的边防线上巡逻的战士，还是在炼钢炉前挥汗如雨的工人，体温都是37℃左右，这是为什么？大量出汗或严重腹泻时，需要及时补充含盐的水，比如喝电解质饮料，这又是为什么?
在外界环境发生剧烈变化的情况下，人体仍能通过自身的调节作用，维持内环境的相对稳定，从而使体内的细胞拥有稳定而适宜的存活条件。
无论春夏秋冬，风云变幻，
它却总是轻波微澜。
稳态是生命系统的特征，
也是机体存活的条件。
它让每一个细胞分享，
又靠所有细胞共建。
第1节 细胞生活的环境
问题探讨：
讨论：
1. 图l和图2中各是什么细胞，请说出细胞的名称。
2. 它们分别生活在什么样的环境中？两者的生活环境有何异同？
本节聚焦：
什么是内环境？
内环境具有哪些理化特性？
人体细胞如何与外界环境进行物质交换？
所有的生命系统都存在于一定的环境中，与环境之间不断进行着物质和能量的交换。细胞作为最基本的生命系统，也是如此。
生活在水中的单细胞生物(如草履虫)，可以直接从水里获取生存所必需的养料和氧，并把废物直接排入水中。这些单细胞生物只能在水环境中生活，如果水体干涸，它们就会休眠或者死亡。
组成我们躯体的绝大多数细胞没有直接与外界环境接触，不能直接与外界环境进行物质交换。这些细胞直接生活的环境是什么呢？
相关信息：
成年男性体内含水量大约是体重的60%，成年女性体内含水量大约是体重的50%。出生一天的婴儿，体内含水量大约是体重的79%。
体内细胞生活在细胞外液中
《红楼梦》中有句话：“女人是水做的。”其实，不论男性还是女性，体内都含有大量以水为基础的液体，这些液体统称为体液（body fluid）。体液中除含有大量的水以外，还含有许多离子和化合物。
说到体液，你首先想到的可能是血液。其实，血液并不全是体液，这是因为血液中既有液体部分——血浆（plasma），也有大量的血细胞。血浆是血细胞直接生活的环境。
动脉中的血浆沿动脉流入毛细血管的动脉端，其中的许多物质会透过毛细血管壁进入组织液（tissue fluid）。组织液是存在于组织细胞间隙的液体，又叫细胞间隙液。绝大多数组织的细胞都浸浴在组织液中，与组织液进行物质交换，因此，组织液是体内绝大多数细胞直接生活的环境。
组织液为组织细胞提供营养物质，细胞的代谢产物也透过细胞膜进入组织液。组织液中包括细胞代谢产物在内的各种物质，大部分能够被毛细血管的静脉端重新吸收，进入血浆；小部分被毛细淋巴管吸收，成为淋巴液，也叫淋巴（lymph）（图1-1）。毛细淋巴管内的淋巴汇集到淋巴管中，经过淋巴循环由左右锁骨下静脉汇入血浆中，进入心脏，参与全身的血液循环。淋巴中混悬着大量的淋巴细胞和吞噬细胞等，可以协助机体抵御疾病，对这些细胞来说，淋巴就是它们直接生活的环境。
相关信息：
手和脚有时会磨出“水泡”。“水泡”中的液体主要是组织液。
思考与讨论：
1、为什么说细胞外液是细胞直接生活的环境？
2、组织液、血浆和淋巴有什么异同？
3、组织液、血浆和淋巴之间有什么内在联系？能不能说全身的细胞外液是一个有机的整体？
血浆、组织液和淋巴通过动态的有机联系，共同构成机体内细胞生活的直接环境。为了区别于个体生活的外界环境，人们把这个由细胞外液构成的液体环境叫做内环境（internal environment）。
假如将你身体的一个细胞或一块组织拿到体外，如果不提供特殊的环境条件，它很快就会死亡。而在内环境中，体内细胞却能正常地生活。
内环境与外界环境有哪些差别呢?
细胞外液的成分
细胞外液中含有哪些化学成分呢？下面以血浆的化学成分为例来进行探讨。
资料分析：
血浆的化学组成
科学家用化学分析的方法，测得人体血浆化学组成的平均值如下：
讨论：
1. 如何将表中物质按化学性质进行归类？
2. 除表中所列成分外，血浆中还可能含有哪些物质？
3. 在组成血浆的离子中，哪些离子的含量较多？它们可能起什么作用？
4. HCO3—、HPO42-可能起什么作用？
5. 任选其中一种成分，分析它的来源和去路，并说明这与人体的哪些系统有关。
研究表明，血浆中约90%为水；其余10%分别是：无机盐（约1%），蛋白质（7%一9%），以及血液运送的物质——各种营养物质（如葡萄糖）、各种代谢废物、气体、激素等（图1-2）。组织液、淋巴的成分和含量与血浆相近，但又不完全相同，最主要的差别在于血浆中含有较多的蛋白质，而组织液和淋巴中蛋白质含量很少。概括地说，细胞外液本质上是一种盐溶液，类似于海水。这在一定程度上反映了生命起源于海洋。
细胞外液的渗透压和酸碱度
你已经知道，将红细胞放在清水或浓度很低的溶液中，细胞会由于吸水过多而破裂；将红细胞放在浓度较高的溶液中，细胞会由于失水过多而死亡。此外，在过酸、过碱或温度过高、过低的条件下，细胞也不能正常生活。
在细胞外液中细胞会出现这种情况吗？
这就要分析细胞外液的理化特性。渗透压、酸碱度和温度是细胞外液理化性质的三个主要方面。
所谓溶液渗透压，简单地说，是指溶液中溶质微粒对水的吸引力。溶液渗透压的大小取决于单位体积溶液中溶质微粒的数目：溶质微粒越多，即溶液浓度越高，对水的吸引力越大，溶液渗透压越高；反过来，溶质微粒越少，即溶液浓度越低，溶液渗透压越低。血浆渗透压的大小主要与无机盐、蛋白质的含量有关。在组成细胞外液的各种无机盐离子中，含量上占有明显优势的是Na+和CI-，细胞外液渗透压的90%以上来源于Na+和CI-。在37 ℃时，人的血浆渗透压约为770 kPa，相当于细胞内液的渗透压。
正常人的血浆近中性，pH为7.35-7.45。血浆的pH之所以能够保持稳定，与它含有HCO3—、HPO42-等离子有关。
人体细胞外液的温度一般维持在37℃左右。
问题：
生理盐水的浓度是多少?为什么医院里给病人输液时必须使用生理盐水？
学科交叉 与化学的联系
溶液酸碱度(pH)是指溶液中自由氢离子浓度的负对数，即pH = -lg[H+]。
内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介
细胞作为一个开放系统，可以直接与内环境进行物质交换：不断获取进行生命活动所需要的物质，同时又不断排出代谢产生的废物，从而维持细胞正常的生命活动（图1-3）。
内环境又是如何与外界环境进行物质交换的呢?
思考与讨论：
结合初中学过的人体消化、呼吸、循环、排泄等知识，和同学讨论以下问题：
1. 维持渗透压的Na+和CI-以及葡萄糖、氨基酸等物质是经过哪些途径进人内环境的？
2. 参与维持pH的HCO3—是怎样形成的？这与体内哪些系统的活动有关？
3. 细胞外液的温度能够保持稳定的根本原因是什么？试推测哪些器官和系统参与了体温的维持？
4. 体内细胞产生的代谢废物，如尿素和CO2是怎样从内环境排到体外的？
5. 通过以上讨论，是否增进了你对本章首页题诗的理解？
通过讨论可以看出，内环境与外界环境的物质交换过程，需要体内各个器官、系统的参与，同时，细胞和内环境之间也是相互影响、相互作用的。细胞不仅依赖于内环境，也参与了内环境的形成和维持。
技能训练
构建人体细胞与外界环境的物质交换模型
联系必修1所学过的细胞内物质的输入和输出的内容，以及初中所学过的消化、呼吸、循环、泌尿系统等知识，尝试以图解或计算机制作演示文稿、flash动画等不同形式，用模式化的方法模拟和展示人体细胞与内环境、内环境与外界环境进行物质交换的大致过程。
练习
一、基础题
1．人体的体液是指：
A．细胞外液和消化液；B．细胞内液和血液；C．细胞内液和细胞外液；D．血浆、组织液、淋巴。
答[ ]
2．下列选项中，与其他三个选项的含义都有很大差别的一项是：
A．细胞外液； B．细胞内液； C．血浆、淋巴、组织液； D．内环境。
3．下列物质中，不属于人体内环境组成成分的是：
A．钙离子； B．呼吸酶； C．葡萄糖； D．血浆蛋白。
答[ ]
4．毛细血管壁细胞和毛细淋巴管壁细胞的直接生活环境是由哪些细胞外液构成的？
答[ ]
二、拓展题
右图表示人体内的细胞与外界环境之间进行物质交换的过程。A、B、C、D表示直接与内环境进行物质交换的四种器官，①②是有关的生理过程。据图回答：
（1）内环境与A交换气体必须通过的结构是 。
（2）B内的营养物质通过①过程进入内环境，①表示的过程是 。
（3）②过程表示 作用。
（4）D表示 。
答案
(一)问题探讨
图2中是单细胞动物草履虫。
2.血细胞生活在血浆中。草履虫直接生活在外界水环境中。两者生活环境的相似之处是：都是液体环境；不同之处是：血细胞生活在体内的血浆中，并不直接与外界环境进行物质交换，而草履虫直接生活在外界环境中；与外界环境相比，血浆的理化性质更为稳定，如温度基本恒定等。
（二）思考与讨论1
1.细胞外液是指存在于细胞外的体液，包括血浆、组织液和淋巴等。血细胞直接生活在血浆中，体内绝大多数细胞直接生活在组织液中，大量淋巴细胞直接生活在淋巴液中。由此可见，细胞外液是体内细胞直接生活的环境。
2.相同点：它们都属于细胞外液，共同构成人体内环境，基本化学组成相同。
不同点：（1）在人体内存在的部位不同：血浆位于血管内，组织液分布于组织细胞之间，淋巴分布于淋巴管中；（2）生活于其中的细胞种类不同：存在于组织液中的是体内各组织细胞，存在于血浆中的是各种血细胞，存在于淋巴中的是淋巴细胞等；（3）所含的化学成分有差异，如血浆中含有较多的蛋白质，而组织液和淋巴中蛋白质很少。
3.当血浆流经毛细血管时，水和一切能够透过毛细血管壁的物质可以在毛细血管动脉端渗出，进入组织细胞间隙而成为组织液，绝大多数的组织液在毛细血管静脉端又可以重新渗入血浆中。少量的组织液还可以渗入毛细淋巴管，形成淋巴，淋巴经淋巴循环由左右锁骨下静脉汇入血浆中。它们之间的关系如图1-2所示。由此可见，全身的细胞外液是一个有机的整体。
（三）资料分析
1.表中的化学物质可分为无机物和有机物。无机物包括水和无机盐离子（如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cl-、HPO42-、SO42-、HCO3-）等，有机物包括糖类（如葡萄糖）、蛋白质（如血清白蛋白、血清球蛋白、纤维蛋白原等）、脂质（如各种脂肪酸、脂肪、卵磷脂、胆固醇）、氨基酸氮、尿素氮、其他非蛋白氮和乳酸等。
2.还含有气体分子（主要是氧气和二氧化碳）、调节生命活动的各种激素、其他有机物（如维生素）等。
3.Na+、Cl-含量较多。它们的作用主要是维持血浆渗透压。
4.维持血浆的酸碱平衡。
5.如血浆中的葡萄糖主要来源于食物中的糖类。食物中的淀粉经消化系统消化后，分解为葡萄糖，经小肠绒毛吸收后进入血液，通过血液循环运输到全身各处。进入组织细胞后，葡萄糖主要用于氧化分解放能，最终生成二氧化碳和水，并排入内环境中。二氧化碳通过血液循环被运输到肺，通过呼吸系统排出体外，而多余的水主要在肾脏通过形成尿液排出体外。（其他合理答案也可）。
（四）旁栏思考题
哺乳动物的生理盐水是质量分数为0.9%的NaCl溶液，这样的溶液所提供的渗透压与血浆等细胞外液的渗透压相同，所以是血浆的等渗溶液。如果输液时使用的NaCl溶液的质量分数低于或高于0.9%，则会造成组织细胞吸水或失水。
（五）思考与讨论2
1． Na+和Cl-等直接来自于食物，不需要经过消化可以直接被吸收。葡萄糖、氨基酸等物质主要来自于食物中的糖类和蛋白质。糖类和蛋白质是两类大分子物质，必须经过消化系统的消化，分解为葡萄糖和氨基酸才能被吸收。上述物质在小肠内经主动运输进入小肠绒毛内的毛细血管中，经血液循环运输到全身各处的毛细血管中，再通过物质交换过程进入组织液和淋巴。
2．细胞代谢产生的CO2与H2O结合，在碳酸酐酶作用下，发生下列反应：
CO2+H2OH2CO3H+ + HCO3-。
HCO3-通过与细胞外的阴离子交换到达细胞外液，即组织液、血浆或淋巴中。主要与呼吸系统有关。
3．人体具有体温调节机制以保持细胞外液温度的恒定。详细内容可参考教材第2章关于人体体温调节的内容。参与体温调节的器官和系统有皮肤、肝脏、骨骼肌、神经系统、内分泌系统、呼吸系统等。
4．体内细胞产生的代谢废物主要通过皮肤分泌汗液，泌尿系统形成、排出尿液和呼吸系统的呼气这三条途径来排出，其中以泌尿系统和呼吸系统的排泄途径为主。例如，血浆中的尿素主要通过肾脏形成的尿液排出体外。血浆中的CO2通过肺动脉进入肺泡周围的毛细血管，由于血液中的CO2分压大于肺泡中CO2的分压，CO2就从血液中向肺泡扩散，再通过呼气运动将其排出体外。
（六）练习
基础题1．C。2．B。3．B。4．毛细血管壁细胞的直接生活环境是血浆和组织液，毛细淋巴管壁细胞的直接生活环境是淋巴和组织液。
拓展题（1）肺泡壁、毛细血管壁。（2）食物的消化和营养物质的吸收。（3）肾小管的重吸收。（4）皮肤。
