《细胞生活的环境》课件：探索微观世界的奥秘

细胞生活的环境欢迎进入细胞的微观世界！细胞作为生命的基本单位，生活在一个复杂而精密的环境中本课程将带领我们探索细胞如何在内环境中和谐生存，揭示生命活动的基本奥秘从单细胞生物直接面对外界环境，到多细胞生物为细胞创造稳定的内环境，生命在进化过程中形成了精妙的环境适应机制引言细胞的生存之谜生命的基本单位环境的多样性和谐共存的秘密细胞是构成生物体的最小结构和功不同生物的细胞生活在截然不同的在复杂的多细胞生物体内，数万亿能单位，所有生命活动都在细胞中环境中有些直接暴露在外界环境个细胞能够和谐共存，这背后隐藏进行无论是简单的单细胞生物还中，有些则被保护在机体内部的特着怎样的生物学原理？让我们一起是复杂的多细胞生物，细胞都是生殊环境里探索这个生命的奥秘命存在的基础本节学习目标理解内环境概念掌握内环境的定义、组成成分，理解内环境在细胞生命活动中的重要作用和地位掌握理化特性学习内环境的渗透压、值、温度等理化特性，了解这些特性对细胞功能的影响pH阐明物质交换分析细胞、内环境与外界环境之间复杂的物质交换过程和调节机制探索稳态意义理解内环境稳态的概念、维持机制及其对生物体正常生命活动的重要意义问题探讨草履虫的生活环境红细胞的生活环境草履虫作为单细胞原生动物，直人体红细胞生活在血液这一特殊接生活在池塘、河流等水体环境的内环境中血液为红细胞提供中它们的细胞膜直接与外界环了稳定的理化条件，包括适宜的境接触，通过胞质膜进行物质交渗透压、值和营养物质浓度，pH换，适应水体中不断变化的理化确保红细胞能够正常执行载氧功条件能环境改变的后果如果将人体红细胞置于草履虫的生活环境中，由于渗透压差异，红细胞会吸水肿胀甚至破裂这说明不同细胞适应了特定的环境条件，环境的改变可能导致细胞功能异常第一部分细胞生活的环境进化的智慧环境适应策略从进化的角度看，生物从简单到复杂的发展过程中，解决细胞生不同层次的生物采用了不同的环境适应策略单细胞生物通过改存环境问题的方式也在不断完善单细胞生物直接面对外界环境变自身的生理状态来适应环境变化，而多细胞生物则通过维持稳的挑战，而多细胞生物则创造了内环境来保护细胞定的内环境来保护细胞免受外界环境波动的影响这种进化策略使得多细胞生物能够在更广泛的环境中生存，同时这种差异反映了生物复杂性增加带来的优势和挑战实现细胞功能的专业化分工细胞的生存环境比较单细胞生物细胞直接与外界环境接触，通过细胞膜进行物质交换环境条件的变化直接影响细胞的生理状态，需要具备强大的环境适应能力多细胞生物表层细胞位于生物体表面的细胞仍然直接接触外界环境，如皮肤细胞、呼吸道上皮细胞等这些细胞通常具有特殊的保护和适应机制多细胞生物内部细胞大多数细胞被其他细胞包围，生活在相对稳定的内环境中这些细胞专门化程度高，但对环境变化的耐受性相对较低观察实验红细胞的环境变化正常生理状态在正常的血液环境中，红细胞呈现双凹圆盘状，形态规整，细胞膜完整这种形态有利于增大表面积，提高气体交换效率，体现了结构与功能的完美统一环境条件改变当红细胞被置于不同渗透压的溶液中时，会发生明显的形态变化高渗溶液使细胞失水皱缩，低渗溶液使细胞吸水肿胀，这些变化直接影响细胞的正常功能适宜环境的重要性实验结果清楚地表明，细胞的正常形态和功能依赖于特定的环境条件这为我们理解内环境稳态的重要性提供了直观的证据体液的概念体液的本质功能意义体液是以水为基础的复杂液体系统，含体液是细胞生命活动的重要载体和介质有各种溶解的物质系统整合动态平衡体液将机体各部分连接成统一的整体体液的组成和分布处于动态平衡状态体液的分类67%33%细胞内液细胞外液存在于细胞内部的液体，占体液总量存在于细胞外部的液体，占体液总量的三分之二，是细胞进行生命活动的的三分之一，构成了细胞生活的外部直接场所环境40L成人体液总量成年人体内体液总量约为体重的，60%为细胞提供了广阔的生活空间内环境的概念内环境定义由细胞外液构成的细胞生活的液体环境1血浆血液中的液体成分组织液细胞间隙中的液体淋巴液淋巴管中的液体内环境是法国生理学家贝尔纳提出的重要概念，它强调了细胞外液环境对维持细胞正常生命活动的关键作用这个概念的提出标志着生物学对生命活动调节机制认识的重大进步内环境的作用生活场所内环境为细胞提供了适宜的生活空间，就像人类需要舒适的居住环境一样，细胞也需要稳定的内环境来维持正常的生命活动这个环境的温度、值、渗透压等都必须保持在适宜的范围内pH交换桥梁内环境充当细胞与外界环境之间物质交换的媒介和桥梁所有进入细胞的营养物质和从细胞排出的代谢废物都必须通过内环境这个中转站，实现有序的物质流动稳态维持内环境参与机体稳态的维持过程，通过各种调节机制确保内环境的理化性质保持相对稳定这种稳定性是细胞正常功能的基础，也是整个生物体健康的保障第二部分内环境的组成组织液直接包围细胞的液体，是细胞直接接触的环境血浆循环系统中的液体成分，运输各种物质到全身各处淋巴液淋巴系统中的液体，参与免疫防御和物质运输血浆的组成与特点组织液的组成与特点组成特点功能意义组织液是细胞间隙中的液体，直接与细胞接触它的水分含量很组织液是细胞与血液之间物质交换的直接媒介细胞所需的营养高，为细胞提供了良好的水环境蛋白质含量明显低于血浆，这物质从血浆进入组织液，再被细胞吸收；细胞产生的代谢废物首是因为大分子蛋白质难以通过毛细血管壁进入组织间隙先进入组织液，然后转运到血液中组织液的量和组成的变化直接影响细胞的生存状态，当组织液过组织液中的无机盐成分与血浆相似，但浓度可能略有差异，这种多时会形成水肿，过少时会影响物质交换差异对维持细胞的正常生理功能具有重要意义淋巴液的组成与特点化学组成细胞成分淋巴液的成分与组织液非常相淋巴液中含有大量的淋巴细胞，似，主要由水分和溶解其中的这是它与其他体液的重要区别各种物质组成蛋白质含量低这些淋巴细胞是机体免疫系统于血浆，但高于一般的组织液，的重要组成部分，在抵御病原这与淋巴液的来源和功能密切体入侵方面发挥关键作用相关流动特性淋巴液在淋巴管中单向流动，最终汇入血液循环这种流动有助于维持体液平衡，并将组织中的大分子物质和病原体运送到淋巴结进行处理三种液体的关系血浆物质交换组织液淋巴液毛细血管中的液体成分通过毛细血管壁进行滤过和重细胞间隙的液体环境多余组织液形成淋巴液回流吸收这三种液体之间存在着动态平衡关系血浆通过毛细血管壁的滤过作用形成组织液，组织液中的大部分又通过重吸收作用回到血浆中，少部分进入淋巴管形成淋巴液，最终通过胸导管回到血液循环蛋白质含量的差异反映了不同液体在物质交换中的不同角色内环境组成物质的来源消化吸收营养物质通过消化系统进入内环境气体交换氧气通过呼吸系统溶解到血液中细胞代谢细胞活动产生的各种代谢产物内分泌调节内分泌腺分泌的激素和调节因子思考以下哪些物质属于内环境？细胞内的呼吸酶细胞膜上的载体蛋白不属于内环境呼吸酶存在于细胞内部，是细胞内液的组成部分，不属于内环境载体蛋白是细胞膜的结构成分，虽然参与物质在内参与细胞内的呼吸作用过程，不属于细胞外液构成的内环境范畴环境和细胞之间的转运，但本身不是内环境的组成物质血液中的葡萄糖尿液中的尿素属于内环境血液是内环境的重要组成部分，血液中溶解的葡萄糖不属于内环境尿液已经离开了机体的内环境系统，是机体向外界是内环境中的重要营养物质，为细胞提供能量来源环境排出的废物，不再参与内环境的组成和调节第三部分内环境的理化特性渗透压酸碱度温度内环境中溶质分子和离子内环境的值必须维持在人体内环境温度稳定在pH对半透膜产生的压力，是的狭窄范围内，℃左右，为酶的最适活

7.35-

7.4537维持细胞形态和功能的关这对酶的活性和各种生化性和细胞代谢提供了理想键因素正常的渗透压确反应的正常进行至关重要条件保细胞既不会过度失水皱缩，也不会过度吸水肿胀离子浓度各种离子的浓度和比例影响细胞的电生理活动和代谢过程，必须精确调节内环境的渗透压渗透压的定义渗透压是指溶液中溶质分子和离子对半透膜产生的压力在生物系统中，这种压力决定了水分在细胞膜内外的移动方向和速度生理意义适宜的渗透压维持细胞的正常形态和体积，确保细胞膜的完整性和通透性当渗透压失衡时，细胞会发生形态变化，影响其正常功能影响因素内环境渗透压主要由无机盐（特别是氯化钠）和蛋白质的含量决定无机盐贡献约的渗透压，蛋白质贡献约的渗透压60%40%渗透压与细胞形态

0.9%2%0%等渗溶液高渗溶液低渗环境氯化钠溶液浓度，细胞形态保持正常的双氯化钠溶液浓度，细胞失水皱缩变成棘状蒸馏水环境，细胞吸水肿胀最终破裂溶血凹圆盘状红细胞在不同环境的变化低渗环境（蒸馏水）高渗环境（）2%NaCl在纯水中，红细胞大量吸水肿胀，最终细等渗环境（）

0.9%NaCl在高浓度盐溶液中，红细胞失水皱缩，表胞膜破裂导致溶血血红蛋白释放到环境在生理盐水中，红细胞维持正常的双凹圆面出现棘状突起细胞体积缩小，载氧能中，细胞完全失去功能这种变化是不可盘形态细胞膜内外水分移动平衡，细胞力下降这种变化是可逆的，当环境恢复逆的体积稳定，功能正常这种状态下红细胞正常时，细胞形态可以恢复能够有效地运输氧气和二氧化碳内环境的值pH缓冲系统酶活性保护碳酸氢盐缓冲系统等调节稳定稳定的值确保酶的最适活性pH pH正常范围失衡后果人体内环境值必须维持在值偏离正常范围会导致严重疾pH pH之间病

7.35-

7.45值的精确控制体现了生命系统的精密性人体拥有多重缓冲系统来维持稳定，包括碳酸氢盐缓冲系统、磷酸盐缓冲系统和蛋白质缓冲系pH pH统这些系统协同工作，确保即使在剧烈运动或疾病状态下，内环境的值也能保持在生命所需的范围内pH内环境的温度恒定体温人体正常体温维持在℃，这个温度是数百万年进

36.5-

37.5化的结果，为人体各种生化反应提供了最适宜的条件酶活性优化人体体温为大多数酶提供了最适活性温度，确保细胞代谢能够高效进行温度过高或过低都会显著影响酶的活性和细胞功能精密调节体温通过下丘脑的体温调节中枢进行精密控制，涉及神经调节和内分泌调节的协同作用，包括血管舒缩、出汗、寒战等多种调节机制内环境的离子组成主要离子种类功能意义内环境中的离子组成复杂而精确主要阳离子包括钠离子不同离子在维持细胞功能方面发挥着不同的作用钠钾离子浓度（）、钾离子（）、钙离子（）和镁离子梯度是神经传导和肌肉收缩的基础；钙离子参与肌肉收缩、血液Na+K+Ca2+（）主要阴离子包括氯离子（）、碳酸氢根离子凝固和骨骼形成；镁离子是多种酶的激活剂Mg2+Cl-（）和磷酸氢根离子（）HCO3-HPO42-细胞内外离子浓度的差异形成了电化学梯度，为各种生理过程提这些离子的浓度和比例必须精确控制，任何显著的变化都可能导供了驱动力，如神经冲动的传导和某些物质的主动转运致细胞功能异常甚至危及生命第四部分细胞与内外环境的物质交换系统整合多个器官系统协同完成物质交换交换过程物质在不同环境间的转移机制转运方式被动运输和主动运输环境界面4细胞与内环境的直接接触面细胞与环境的物质交换是生命活动的基础这个复杂的过程涉及多个层次的调节，从分子水平的载体蛋白到器官系统水平的协调配合，确保细胞能够获得所需的营养物质并排出代谢废物物质交换的层次分子水平载体蛋白介导的跨膜转运细胞水平细胞与内环境间的直接交换组织水平不同组织间的物质流动整体水平内环境与外界环境的物质交换物质交换的层次性体现了生物系统的复杂性和有序性每个层次都有其特定的调节机制和功能特点，这些层次相互关联，共同维持着生物体内外环境的物质平衡细胞与内环境的物质交换被动运输主动运输包括自由扩散、协助扩散和渗需要消耗，可以逆浓度ATP透作用，不需要消耗，梯度转运物质包括载体介导ATP依靠浓度梯度或电化学梯度进的主动运输和继发性主动运输，行氧气、二氧化碳、水分子确保细胞能够获得必需物质并等小分子物质主要通过被动运排出有害物质输进出细胞膜泡运输包括胞饮、胞吐和吞噬作用，适用于大分子物质的转运这种方式能够处理蛋白质、多糖等载体蛋白无法转运的大分子物质参与内环境与外环境物质交换的系统消化系统负责将食物中的营养物质分解并吸收到内环境中小肠是主要的吸收场所，具有巨大的表面积和专门的吸收细胞，能够高效地将葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等营养物质转运到血液中呼吸系统实现气体交换，将氧气输送到内环境，同时将二氧化碳排出体外肺泡与毛细血管间的气体交换是维持内环境气体平衡的关键过程循环系统负责物质在体内的运输和分配血液循环将营养物质运送到各个组织，同时将代谢废物运送到排泄器官，是物质交换的重要载体泌尿系统过滤血液中的代谢废物和多余水分，调节内环境的水盐平衡和酸碱平衡肾脏是维持内环境稳态的重要器官皮肤系统通过汗腺分泌调节体温和排出少量代谢废物皮肤是人体最大的器官，也是与外界环境直接接触的重要界面消化系统的物质交换交换场所与结构物质种类与机制小肠是营养物质吸收的主要场所，其内表面具有绒毛和微绒毛结小肠主要吸收葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、维生素和矿物质等营养构，极大地增加了吸收表面积这种精巧的结构设计使得小肠的物质不同物质采用不同的吸收机制葡萄糖和氨基酸主要通过吸收表面积达到约平方米，相当于一个网球场的大小载体介导的主动运输；脂肪酸通过被动扩散；水溶性维生素通过200特异性载体转运小肠壁的上皮细胞具有专门的载体蛋白和酶系统，能够选择性地这些营养物质进入肠道毛细血管后，通过门静脉运输到肝脏进行吸收不同类型的营养物质进一步处理，然后分配到全身各个组织呼吸系统的物质交换吸气过程气体扩散外界空气中的氧气进入肺泡，溶解在肺氧气通过肺泡壁和毛细血管壁扩散到血泡表面的液体薄层中2液中，与血红蛋白结合呼气过程血液运输细胞代谢产生的二氧化碳逆向扩散，最含氧血液通过循环系统运输到全身各个终通过呼气排出体外组织泌尿系统的物质交换肾小球滤过血液在肾小球毛细血管中受到压力作用，水分和小分子溶质被滤过到肾小囊中，形成原尿每天约产生升原尿，其中包含葡萄糖、氨基酸、180无机盐等有用物质肾小管重吸收原尿在肾小管中流动时，有用物质如葡萄糖、氨基酸和大部分水分被重新吸收回血液这个过程高度选择性，确保营养物质不会丢失肾小管分泌血液中的某些代谢废物和多余离子主动分泌到尿液中最终形成约升尿液，含有尿素、肌酐等代谢废物，维持内环境的清洁

1.5皮肤的物质交换汗液分泌气体交换皮肤通过汗腺分泌汗液，主要成皮肤表面可以进行少量的气体交分是水分，还含有少量的尿素、换，包括氧气的吸收和二氧化碳乳酸和无机盐汗液的分泌不仅的释放虽然量很少，但这种交有助于调节体温，还能排出一些换在某些情况下具有一定的生理代谢废物，是泌尿系统的重要补意义，特别是在水生环境中充热量散发皮肤是人体最重要的散热器官，通过辐射、传导、对流和蒸发等方式将体内多余的热量散发到外界环境中，维持体温恒定，保证内环境温度的稳定内环境是细胞与外界环境物质交换的媒介外界环境包含细胞所需的各种营养物质和氧气，以及细胞代谢废物的最终去向外界环境的条件变化直接影响物质交换的效率内环境媒介内环境充当缓冲带和转运站，将外界环境的剧烈变化转化为相对稳定的内部条件，为细胞提供适宜的生存环境细胞活动细胞在稳定的内环境中进行正常的生命活动，包括新陈代谢、生长分裂、功能表达等，是整个生物体功能的基础这种三层结构的物质交换模式体现了生物系统的智慧内环境作为中介，既保护了细胞免受外界环境的直接冲击，又确保了物质交换的有序进行这种设计使得复杂的多细胞生物能够在变化多端的外界环境中维持内部的稳定性物质交换过程实例葡萄糖废物的排出细胞利用与代谢细胞代谢产生的二氧化碳进入组织血液运输与分配葡萄糖从血浆进入组织液，再通过液，再进入血液，最终通过肺部呼葡萄糖的吸收葡萄糖进入血液后，随血液循环运载体蛋白进入细胞在细胞内，葡出水分通过多种途径排出，包括食物中的淀粉在消化道中被分解为输到全身各个组织血浆中的葡萄萄糖通过糖酵解和有氧呼吸等途径呼吸、出汗和尿液这个完整的循葡萄糖，然后在小肠绒毛上皮细胞糖浓度受到精密调节，正常情况下被分解，产生为细胞活动提供环确保了葡萄糖的有效利用和代谢ATP的载体蛋白帮助下，通过主动运输维持在肝脏起能量，同时产生二氧化碳和水等代废物的及时清除80-120mg/dL进入血浆这个过程需要消耗，到重要的缓冲作用，在血糖过高时谢产物ATP确保即使在葡萄糖浓度较低时也能储存葡萄糖，在血糖过低时释放葡有效吸收萄糖第五部分内环境的稳态稳态概念调节机制内环境理化性质的相对稳定状态神经、体液、自身调节协同作用生命意义调节精度稳态是生命活动正常进行的基础各种参数维持在极窄的正常范围内内环境稳态是生物学中最重要的概念之一，它揭示了生命系统自我调节和维持的本质这种稳态不是静止不变的，而是在动态平衡中保持相对稳定，体现了生命的活力和适应性内环境稳态的概念科学定义稳定范围内环境稳态是指机体在神经系内环境各项指标都有其正常的统和内分泌系统的调节下，通生理范围，如体温

36.5-过各个器官系统的协调活动，℃、血糖

37.580-使内环境的各种理化因子保持、血液120mg/dL在适宜范围内的相对稳定状态等这些范围pH

7.35-

7.45这种稳定是动态的，允许在一既保证了生理功能的正常进行，定范围内波动又允许适度的生理性变化动态特征稳态是一个动态平衡过程，各种调节机制不断地工作，及时纠正偏离正常范围的变化这种动态性使得生物体能够适应内外环境的变化，维持生命活动的连续性内环境稳态的特点精确性调节精度极高，误差范围很小快速性能够迅速响应内外环境变化协调性多系统协同参与调节过程适应性能够适应不同强度的环境挑战内环境稳态的这些特点体现了生命系统的高度复杂性和精密性这种精确而快速的调节能力是数百万年进化的结果，使得高等生物能够在复杂多变的环境中生存和繁衍稳态机制的任何缺陷都可能导致疾病甚至死亡，因此理解稳态对于医学和健康具有重要意义内环境稳态的维持机制神经调节通过神经系统的快速传导实现精确调节体液调节通过激素的分泌实现持久而广泛的调节自身调节组织和细胞水平的局部调节机制这三种调节机制相互配合，形成了完整的稳态维持系统神经调节速度快但持续时间短，适合应对急性变化；体液调节速度较慢但持续时间长，适合长期调节；自身调节则在局部发挥作用，提供基础的稳态维持能力三者的协调配合确保了内环境稳态的可靠维持内环境稳态的意义细胞功能保障整体功能协调适应能力增强稳定的内环境为细胞提供了稳态使得各个器官系统能够稳态机制提高了生物体对环最适宜的生存条件，确保酶协调配合，形成统一的功能境变化的适应能力和抗干扰活性正常、膜结构完整、代整体每个系统在稳定的内能力即使在外界环境发生谢过程顺利进行没有稳态，环境中发挥专门化功能，同较大变化时，内环境仍能保细胞就无法维持正常的生命时为维持稳态做出贡献持相对稳定，保护生物体免活动受伤害进化优势稳态能力的发展为生物进化提供了重要优势，使得复杂的多细胞生物能够在多样化的环境中生存和发展，推动了生命的复杂化进程。