直根系是指植物的根系由一明显的主根和各级侧根组成。根毛区的内部组织全部分化成熟，故也称成熟区。根毛的形成大大地扩大了根表皮的吸收面积，因此，根毛区是根行使吸收功能的主要区域。根部吸收矿物质元素最活跃的区域是根冠与顶端分生组织，以及根毛发生区。此外，根的生理功能还有固着和支持功能、有机化合物的合成转化功能、贮藏功能以及输导功能等。有的茎还具有光合作用、贮藏营养物质和繁殖的功能。......
2023-08-11
自然科学基础：细胞结构与功能
【摘要】：尽管细胞的形态千姿百态，但绝大多数细胞都具有共同的结构特征。细胞质里悬浮着许多特定功能的微细结构，称为细胞器，如线粒体、核糖体、内质网、高尔基体和液泡等。线粒体的数量随细胞的种类和生理状态不同而不同，生命活动旺盛的细胞中线粒体含量多，反之则少。
细胞是生物体最基本的单位。单细胞生物一个细胞就能表现出生命的基本特征，多细胞生物的生命活动也以细胞为基本单位。因此，细胞是生命体最基本的结构单位和功能单位。
（一）细胞的形态和大小
细胞的形态是多种多样的，不同形态的细胞其功能也不同。如单细胞藻类的细胞多为球形；高等植物体内行使运输功能的导管细胞多为圆筒形，起支持作用的细胞多为圆柱形和长纺锤形，贮藏养料的薄壁细胞常为多面体；动物体内排列紧密、担负保护功能的上皮细胞多为扁平、方形或柱形，血细胞和卵细胞多为扁圆形和卵圆形，接受刺激传导信息的神经细胞多为星形，并有很多突起等等（图4-1-5）。
图4-1-5 细胞的形态（引自张民生等，2008）
细胞的大小差异很大，一般细胞都极其微小，必须借助显微镜才能观察到，测量细胞的大小通常用微米（μm）为单位。细菌的直径仅有1 μm左右，人的红细胞直径为7.5 μm、白细胞直径为8～10 μm。有的细胞较大，肉眼也能观察到，如大变形虫的直径有300 μm，人的卵细胞直径有140～160 μm。人体的神经细胞的突起可长达1 m左右（图4-1-6）。尽管细胞的形态千姿百态，但绝大多数细胞都具有共同的结构特征。
图4-1-6 细胞的大小
（二）细胞的结构和功能
下面以动物细胞为例，介绍细胞的亚显微典型结构（图4-1-7）。
图4-1-7 动物细胞的亚显微结构模式图
1.细胞膜 2.细胞质 3.高尔基体 4.核液 5.染色质 6.核仁
7.核膜 8.内质网 9.线粒体 10.核孔 11.内质网上的核糖体 12.游离的核糖体 13.中心体
1.细胞膜
细胞最外面包着一层极薄的膜，叫细胞膜。细胞膜主要由蛋白质和磷脂分子组成，膜上还有少量多糖。双层磷脂分子有规则地排列形成细胞膜的骨架，蛋白质分子附着在磷脂双分子层的内外侧，有的蛋白质分子镶嵌在磷脂双分子层中，有的贯穿双分子层（图4-1-8）。磷脂双分子层是半流动性的，蛋白质分子也可做移动运动。
细胞膜是一种选择透过性膜，它具有保护作用和控制、调节物质进出细胞的作用，既能允许某些物质有选择地透过，又可限制另一些物质。植物细胞除有细胞膜外，还有一层细胞壁，主要由纤维素构成（图4-1-9）。细胞壁对细胞有保护和支持作用。细胞壁是全透性的。
2.细胞质
细胞膜与细胞核之间的透明胶状物质，称为细胞质。细胞质里悬浮着许多特定功能的微细结构，称为细胞器，如线粒体、核糖体、内质网、高尔基体和液泡等。
图4-1-8 细胞膜的构造图
图4-1-9 植物细胞的亚显微结构模式图
1.细胞膜 2.细胞壁 3.细胞质 4.叶绿体 5.高尔基体 6.核仁
7.核液 8.核膜 9.染色质 10.核孔 11.线粒体 12.内质网 13.游离的核糖体
14.液泡 15.内质网上的核糖体
（1）线粒体
线粒体普遍存在于动物和植物细胞中，是呈粒状或杆状的小体。线粒体具有内外两层膜，内膜向内腔折叠形成嵴，嵴的内表面分布着许多带小柄的基粒。嵴的周围充满液态的基质（图4-1-10）。在内膜、基粒和基质中含有多种与细胞呼吸有关的酶。线粒体的数量随细胞的种类和生理状态不同而不同，生命活动旺盛的细胞中线粒体含量多，反之则少。如高等动物的肝细胞中，大约有2000个线粒体。线粒体是进行有氧呼吸、产生大量高能物质的细胞器，它能释放能量供生命活动需要，因此，人们把它比喻为细胞的“供能中心”或“动力工厂”。
（2）内质网
内质网是由膜连接起来的网络状结构，广泛分布于细胞质中，内质网膜成对地围成扁平囊状、管状或泡状（图4-1-11）。在靠近细胞膜处，内质网与细胞膜内褶部相通，在靠近细胞核处，与核膜相通。内质网与脂类的合成有关，同时又是细胞内物质运输的网络。
图4-1-10 线粒体模式图
图4-1-11 内质网模式图
（3）核糖体
核糖体是悬浮在细胞质里和附着在内质网膜上无包膜的颗粒结构，呈葫芦形。核糖体的数量很多，如人体每个细胞中约有15 000个核糖体。核糖体是细胞中合成蛋白质的唯一场所。
（4）高尔基体
高尔基体由扁平的囊泡状的结构和大小不等的液泡组成（图4-1-12）。在动物细胞内高尔基体参与蛋白质的加工和分泌，植物细胞形成细胞壁的纤维素也是由高尔基体产生的。人们把高尔基体比成细胞里的“加工车间”。
图4-1-12 高尔基体模式图
（5）液泡
液泡是细胞质中的泡状结构，外有液泡膜和细胞质分开，内有液态的细胞液，细胞液中含有水、糖、有机酸、无机盐类和各种色素等物质。动物细胞中液泡小而不明显，幼年的植物细胞中液泡较小而多，成熟的植物细胞中液泡较大，常相互合并成中央液泡。液泡是细胞中营养物质的贮藏器和废物的排泄器。
以上所提到的细胞器是动物细胞和植物细胞所共有的。绿色植物的细胞中还有专门进行光合作用的细胞器——叶绿体；动物细胞和某些低等植物中还有与细胞分裂有关的细胞器——中心体。
3.细胞核
细胞核是细胞内遗传信息贮存、复制和转录的主要场所。通常每个细胞只有一个核，少数细胞有2个或多个核，如兔的肝细胞就有多个核，人的骨骼肌细胞有几百个核。细胞核常呈球形和椭球形，也有不规则的。细胞核由核膜、核液、染色质和核仁组成（图4-1-13）。
图4-1-13 细胞核的结构模式
（1）核膜
核膜是分隔细胞质和细胞核的界膜，核膜由双层膜构成，核膜上有许多小孔，称为核孔，是细胞核与细胞质间进行物质交换的通道。
（2）核液
核液是细胞核中饱含蛋白质、酶分子、无机盐和水的透明胶态物质，它是细胞核内进行各种代谢作用的场所。
（3）染色质
染色质是细胞核里一些易被碱性染料染成深色的物质，呈颗粒状或网状，主要由DNA和蛋白质组成。在细胞分裂间期，染色质是丝状物。在细胞分裂期，染色质螺旋化缩短增粗，形成染色体（图4-1-14）。不同的生物细胞中染色体的数目和结构都不同。
图4-1-14 螺旋化的染色体示意图
（4）核仁
核仁是细胞核中折光较强的圆球颗粒状结构，没有外膜，它是合成核糖核酸的场所。
以上介绍的细胞，其结构和功能都比较复杂，这类细胞也是大多数生物所具有的细胞，称为真核细胞。由真核细胞构成的生物体称为真核生物。
另有一类如细菌和蓝细菌的细胞，它们的结构和功能都较简单，这类细胞称为原核细胞，由原核细胞构成的生物称为原核生物。
原核细胞与真核细胞的主要区别是：第一，原核细胞体积较小，一般为1～10 μm，而真核细胞体积较大，一般为10～100 μm。第二，原核细胞的染色质是裸露的DNA，它们分散在细胞质里或集中在细胞中央，形成核区，核区外没有核膜，因此也没有核的结构。而真核细胞的染色质除DNA外还有蛋白质，相互结合成复杂的染色体结构，已有成形的细胞核，核外有核膜。第三，原核生物的细胞器除核糖体外，细胞膜也会内陷折叠形成一些简单的结构，但没有真核细胞里有膜包围的内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体等细胞器。
（三）细胞分裂和分化
1.细胞分裂
细胞生长到一定阶段，会以分裂的方式产生新细胞。细胞分裂的方式有无丝分裂、有丝分裂和减数分裂三种。下面重点介绍无丝分裂和有丝分裂。
（1）无丝分裂
无丝分裂是一种最简单的分裂方式，所有原核生物和低等的单细胞真核生物都以无丝分裂来实现个体增殖。分裂开始时先是细胞核变长，中部收缩，然后分裂成两个细胞核，在细胞核伸长分裂时，整个细胞也随着伸长，中间收缩，最后缢缩处断裂，分裂成两个子细胞（图4-1-15）。无丝分裂结束，每个子细胞都能获得一份相同的遗传物质。
图4-1-15 细胞的无丝分裂
（2）有丝分裂
有丝分裂是高等生物体细胞增殖的主要分裂方式，是一个连续的动态变化过程。为研究方便起见，人们根据光学显微镜下观察到的细胞形态变化特征，人为地将有丝分裂分为分裂间期和分裂期两个阶段。
分裂间期是从细胞一次分裂结束到下一次分裂之前的一个阶段。这个时期，细胞除体积稍有增大外，看不出其他的什么变化。实际上，细胞内部正在完成DNA分子的复制和蛋白质的合成，为细胞分裂的到来做准备。
在分裂期，细胞核发生明显的一系列连续变化，按照变化的规律，又将分裂期分为前期、中期、后期和末期。下面以植物细胞有丝分裂为例，来说明四个时期的特征（图4-1-16）。
图4-1-16 植物细胞的有丝分裂
前期 细胞核中染色质高度螺旋化，缩短变粗，形成有一定形态和数目的染色体，这时每条染色体包含两条并列的染色单体，中间有着丝点相连。此时，核仁、核膜消失，两极发出纺锤丝，纵贯于细胞中央形成纺锤体。
中期 染色体聚集到细胞中央的赤道板上，每个染色体的着丝点都连在纺锤丝上，中期细胞的染色体形态稳定，染色体数目也较清晰可见。
后期 每条染色体的着丝点分裂，两条染色单体分开成两条染色体，接着纺锤丝收缩，牵引着染色体向两极移动。结果成对存在的染色体，平均分为两组，这两组染色体的形态和数目完全相同。
末期 两组染色体分别到达两极，随之染色体解旋，伸长变细，核仁、核膜重新出现，形成两个新的子核。同时，在赤道板处出现细胞板，由中央向四周扩展形成细胞壁，至此，两个新细胞形成。
动物细胞的有丝分裂过程与植物细胞基本相似，不同处有两点：第一，动物细胞核附近有叫中心体的细胞器。在细胞分裂间期已复制成两个中心体，分裂前期分别移向两极。每个中心体周围出现许多放射状的星射线，由星射线组成纺锤体。第二，动物细胞分裂末期，原来赤道板四周的细胞膜向内凹陷，形成缢沟，缢沟逐渐加深，最后将细胞质缢隔成两部分，这样两个完整的新细胞也就形成了（图4-1-17）。
图4-1-17 动物细胞的有丝分裂
1.间期 2.前期 3.中期 4.后期 5.末期
2.细胞分化
细胞不断分裂，产生大量细胞，这些细胞各自向一定方向发展，成为各种形态和功能不同的细胞，这一过程称为细胞分化。如植物中有的细胞分化成根尖细胞，有的分化成叶肉细胞等。动物中有的细胞分化成肌细胞，有的分化成骨细胞，有的分化成神经细胞、生殖细胞等。
分化出来的细胞，由许多形态结构相似的细胞连在一起形成组织，如植物中的营养组织、输导组织等，动物中的上皮组织、肌肉组织等。由多种不同的组织联系起来行使一定的功能，构成器官，如植物中有根、茎、叶、花、果实、种子，动物中有脑、胃、心脏、肺、眼、耳等。在高等动物和人体中，由许多不同的器官联系起来，共同完成某种或几种生理功能，构成系统，由多种系统构成个体。高等动物和人类共有11个系统：被覆系统、骨骼系统、肌肉系统、呼吸系统、消化系统、循环系统、泌尿系统、内分泌系统、神经系统、感觉系统和生殖系统。各种系统在内分泌系统和神经系统的调节下，相互协调、相互制约，共同完成机体的新陈代谢。
下面以消化系统为例，说明从细胞到系统，再由多种系统构成个体的层次（图4-1-18）。
图4-1-18 从细胞到个体的结构层
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