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Movement into and out of cells · ⁨細胞内外への移動⁩

IGCSE Biology · ⁨IGCSE 生物⁩ · Topic 3 · ⁨トピック 3⁩

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7:44

細胞内外への物質移動

細胞は膜に囲まれており、外部世界との物質交換を維持する必要がある。酸素は入らなければならない。二酸化炭素は出ていかなければならない。水も両方向に移動する…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

3.1

Diffusion · ⁨拡散⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe diffusion as the net movement of particles from a region of their higher concentration to a region of their lower concentration (i.e. down a concentration gradient), as a result of their random movement
2 State that the energy for diffusion comes from the kinetic energy of random movement of molecules and ions
3 State that some substances move into and out of cells by diffusion through the cell membrane
4 Describe the importance of diffusion of gases and solutes in living organisms
5 Investigate the factors that influence diffusion, limited to: surface area, temperature, concentration gradient and distance
日本語
コア サプリメント
1 拡散とは、粒子のランダム運動の結果、濃度が高い領域から低い領域へ向かう正味移動(すなわち濃度勾配に沿った移動)であることを説明する
2 拡散に必要なエネルギーは、分子およびイオンのランダム運動による運動エネルギーに由来すると述べる
3 一部の物質は細胞膜を介して拡散により細胞内外に移動すると述べる
4 生体におけるガスおよび溶質の拡散の重要性について説明する
5 拡散に影響を与える要因を調査する。表面積、温度、濃度勾配、距離に限定する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
Diffusion: random motion, one-way flow

Diffusion 扩散 is the net movement 净移动 of particles 粒子 from a region of their higher concentration 浓度 to a region of their lower concentration. We say the particles move down a concentration gradient 浓度梯度.

The particles spread out because of their own random movement 随机运动. The energy 能量 for diffusion comes from the kinetic energy 动能 of the random movement of molecules 分子 and ions 离子 — so diffusion needs no extra energy.

Some substances pass into and out of cells by diffusion through the cell membrane 细胞膜.

Why diffusion matters. Many gases 气体 and dissolved substances (solutes 溶质) move by diffusion in living things. For example, oxygen 氧气 diffuses into cells for respiration, and carbon dioxide 二氧化碳 diffuses out.

The rate of diffusion changes with four factors:

Factor Diffusion is faster when…
surface area 表面积 the surface is larger
temperature 温度 it is hotter (particles move faster)
concentration gradient the difference in concentration is bigger
distance the distance to travel is shorter (a thinner barrier)
日本語
拡散:ランダム運動、一方向の流動

拡散とは、粒子が濃度が高い領域から低い領域へ向かう正味移動のことです。粒子は濃度勾配に沿って動くと表現します。

粒子は自身のランダムな運動によって広がり、拡散所需的エネルギーは分子やイオンのランダムな運動による運動エネルギーに由来するため、拡散には追加のエネルギーは必要ありません。

一部の物質は細胞膜を介して拡散によって細胞内・外へ出入りします。

細胞膜の片側に密集した粒子が、もう一方の側へ広がり、矢印が希薄な側への正味移動を示している
拡散:粒子は高い濃度から低い濃度へ、勾配に沿って移動する

なぜ拡散が重要か。 多くのガスや溶解物質(溶質)は、生物体内で拡散によって移動します。例えば、酸素は呼吸のために細胞内へ拡散し、二酸化炭素は体外へ拡散します。

拡散速度は4つの要因によって変化します:

要因 拡散が速くなる条件…
表面積 表面が大きい場合
温度 熱い場合(粒子の運動が速くなる)
濃度勾配 濃度の差が大きい場合
距離 移動すべき距離が短い(障壁が薄い)場合
Explore · ⁨探索⁩

Diffusion and osmosis · ⁨拡散と浸透⁩

Set the concentration on each side and watch particles spread from high to low until balanced. · ⁨両側の濃度を設定し、粒子が高い方から低い方へ拡がり、均等になるまで様子を見よ。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
diffusion/dɪˈfjuːʒn/ 拡散
net movement/net ˈmuːvmənt/ 正味移動
particles/ˈpɑːtɪklz/ 粒子
concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ 濃度
concentration gradient/ˌkɒnsənˈtreɪʃn ˈɡreɪdɪənt/ 濃度勾配
random movement/ˈrændəm ˈmuːvmənt/ ランダム運動
energy/ˈenədʒi/ エネルギー
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 運動エネルギー
molecules/ˈmɒlɪkjuːlz/ 分子
ions/ˈaɪɒnz/ イオン
cell membrane/sel ˈmembreɪn/ 細胞膜
gases/ˈɡæsɪz/ 気体である
solutes/ˈsɒljuːts/ 溶質
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 酸素
carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ 二酸化炭素
surface area/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə/ 表面積
temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度
solvent/ˈsɒlvənt/ 溶媒
dissolve/dɪˈsɒlv/ 溶解する
solution/səˈluːʃn/ 溶液
digestion/daɪˈdʒestʃn/ 消化
excretion/ekˈskreʃn/ 排泄
3.2

Osmosis · ⁨浸透⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe the role of water as a solvent in organisms with reference to digestion, excretion and transport 7 Describe osmosis as the net movement of water molecules from a region of higher water potential (dilute solution) to a region of lower water potential (concentrated solution), through a partially permeable membrane
2 State that water diffuses through partially permeable membranes by osmosis
3 State that water moves into and out of cells by osmosis through the cell membrane
4 Investigate osmosis using materials such as dialysis tubing
5 Investigate and describe the effects on plant tissues of immersing them in solutions of different concentrations 8 Explain the effects on plant cells of immersing them in solutions of different concentrations by using the terms: turgid, turgor pressure, plasmolysis, flaccid
9 Explain the importance of water potential and osmosis in the uptake and loss of water by organisms
6 State that plants are supported by the pressure of water inside the cells pressing outwards on the cell wall
日本語
コア サプリメント
1 消化、排泄、輸送との関連で、生体における水溶性溶媒としての水の役割について説明する 7 浸透とは、半透膜を介して、水分ポテンシャルが高い領域(希薄溶液)から低い領域(濃縮溶液)へ向かう水分子の正味移動であることを説明する
2 水は半透膜を介して浸透によって拡散すると述べる
3 水は細胞膜を介して浸透によって細胞内外に移動すると述べる
4 透析管などの材料を用いて浸透を調査する
5 異なる濃度の溶液に植物組織を浸漬した際の影響を調査・説明する 8 異なる濃度の溶液に植物細胞を浸漬した際の影響を、硬直、膨圧、質壁離脱、軟弱といった用語を用いて説明する
9 生体の水分吸収および失水における水分ポテンシャルおよび浸透の重要性について説明する
6 植物は、細胞内の水圧が細胞壁に対して外向きに働くことで支持されていると述べる

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
Osmosis: water crosses the membrane

Water as a solvent

Water is a very good solvent 溶剂 — many substances dissolve 溶解 in it to make a solution 溶液. This matters for digestion 消化 (food must dissolve before it can be used), excretion 排泄 (wastes are carried away dissolved in water) and transport 运输 (substances travel around the body dissolved in blood and sap).

What osmosis is

Osmosis 渗透 is a special kind of diffusion: the net movement of water across a partially permeable membrane 半透膜. This kind of membrane has tiny holes that let small water molecules through but hold back larger solute particles. Water moves into and out of cells by osmosis through the cell membrane.

A concentrated solution has a lot of dissolved solute and little water. A dilute solution has little solute and a lot of water.

(Supplement) Osmosis is the net movement of water molecules from a region of higher water potential 水势 (a dilute solution — more water) to a region of lower water potential (a concentrated solution — less water), through a partially permeable membrane.

Osmosis and plant cells

When you put plant tissue into different solutions, water moves by osmosis:

  • In pure water or a dilute solution, water moves into the cells. The cells swell and become firm, or turgid 膨胀. The water presses outward on the cell wall; this outward push is the turgor pressure 膨压. Turgid cells make a plant stand up straight — this is how plants are supported.
  • In a concentrated solution, water moves out of the cells. The cells lose their firmness and become soft, or flaccid 松软.
  • (Supplement) If even more water leaves, the cell membrane pulls away from the cell wall. This is plasmolysis 质壁分离.

You can investigate osmosis using dialysis tubing 透析管 (an artificial partially permeable membrane), or using cylinders cut from a potato. Measure their length or mass before and after soaking. Cylinders in pure water or a dilute solution gain length and mass; cylinders in a concentrated solution lose length and mass; in a solution of equal concentration there is no change.

Worked example. A potato cylinder has a mass of 5.0 g before soaking and 5.6 g after soaking in a dilute solution. Find the percentage change in mass.

  • change in mass = 5.6 - 5.0 = 0.6 g (a gain).
  • percentage change = change ÷ starting mass × 100 = 0.6 ÷ 5.0 × 100 = +12%.

A positive answer means the cylinder gained water, so the solution was more dilute than the cell contents. Always work out the percentage change, not just the change in grams — it lets you compare cylinders that started at different masses fairly.

日本語
浸透:水が膜を越える
顕微鏡下で観察された赤血球
赤血球:水は浸透によって細胞内・外へ出入りする。

溶媒としての水

水は非常に良い溶媒であり、多くの物質がこれを溶解して溶液を作ります。これは消化(食物は使用される前に溶解する必要がある)、排泄(廃棄物は水に溶解して運ばれる)、輸送(物質は血液や樹液に溶解して体内を移動する)において重要です。

浸透とは何か

浸透圧は拡散の一種で、水分子が半透膜を介して移動する現象です。この膜には小さな穴があり、小さい水分子は通しますが、大きい溶質粒子は通過できません。水は細胞膜を介して浸透によって細胞内へ出入りします。

**濃度が高い溶液(濃溶液)**は多くの溶解した溶質と少ない水を含みます。**希な溶液(稀溶液)**は少量の溶質と多くの水を含みます。

小さな水分子は半透膜を双方向に移動しますが、全体としては濃い側へ向かい、大きな溶質粒子は通過できません
浸透圧:水は半透膜を通過しますが、溶質は通過しません

(補足) 浸透圧とは、水ポテンシャルが高い領域(希な溶液=水が多い)から水ポテンシャルが低い領域(濃い溶液=水が少ない)へ、半透膜を介して水分子が正味で移動することです。

浸透圧と植物細胞

植物組織を異なる溶液に入れると、浸透圧によって水が動きます:

  • 純水または希な溶液では、水は細胞の中へ入ります。細胞は膨らんで硬くなり、膨張状態(たっぎり) になります。水が細胞壁を外側へ押し付けます。この外への押し力は膨圧と呼ばれます。膨張した細胞が植物を直立させるため、これが植物の支持機構となります。
  • 濃い溶液では、水は細胞の外へ出ます。細胞は硬さが失われて柔らかくなり、萎縮状態(フラシッド) になります。
  • (補足) さらに水が出ると、細胞膜が細胞壁から引き離されます。これを質壁分離と呼びます。
3つの植物細胞:膜が壁に密着した膨張状態の細胞、膜が引き込まれた萎縮状態の細胞、膜が壁から完全に引き離れた質壁分離した細胞
植物細胞への水の流入または流出により、細胞は膨圧、萎縮、または質壁分離状態になる
顕微鏡下での赤ネギ細胞(濃い溶液中):多くの細胞で紫色の contents が無色の長方形の細胞壁から引き離されている
質壁分離した赤ネギ細胞:紫色の contents が細胞壁から引き離されている

透析チューブ(人工的な半透膜)や、ジャガイモから切り出した円柱を用いて浸透圧を調べることもできます。浸漬前後の長さや質量を測ります。純水や希な溶液中的の円柱は長さと質量が増加し、濃い溶液中的の円柱は減少し、等濃度の溶液では変化しません。

** worked example.** ジャガイモの円柱の浸漬前の質量は5.0 g、希な溶液への浸漬後の質量は5.6 gでした。質量の変化率を求めよ。

  • 質量の変化量 = 5.6 - 5.0 = 0.6 g (増加)。
  • 変化率 = 変化量 ÷ 初期質量 × 100 = 0.6 ÷ 5.0 × 100 = +12%。

正の値は円柱が水分を吸収したことを示すため、溶液は細胞内容物よりも希であることがわかります。グラム単位の増減だけでなく必ず変化率を計算してください。これにより、初期質量が異なる円柱間でも公平に比較できます。

Explore · ⁨探索⁩

Osmosis · ⁨浸透⁩

net movement down the gradient · ⁨濃度勾配に沿った正味の移動⁩

A difference in concentration drives net movement until both sides are equal. · ⁨濃度の差が正味の移動を駆動し、両側が等しくなるまで続きます。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
osmosis/ɒzˈməʊsɪs/ 浸透圧
partially permeable membrane/ˈpɑːʃəli ˈpɜːməbl ˈmembreɪn/ 半透膜
water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/ 水ポテンシャル
turgid/ˈtɜːdʒɪd/ 膨圧状態(turgid)
turgor pressure/ˈtɜːɡə ˈpreʃə/ 膨圧
flaccid/ˈflæsɪd/ 萎変した(軟弱な)
plasmolysis/plæzˈmɒləsɪs/ 質壁分離
dialysis tubing/daɪˈæləsɪs ˈtjuːbɪŋ/ 透析チューブ
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3.3

Active transport · ⁨能動輸送⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe active transport as the movement of particles through a cell membrane from a region of lower concentration to a region of higher concentration (i.e. against a concentration gradient), using energy from respiration 2 Explain the importance of active transport as a process for movement of molecules or ions across membranes, including ion uptake by root hairs
3 State that protein carriers move molecules or ions across a membrane during active transport
日本語
コア サプリメント
1 能動輸送とは、呼吸から得たエネルギーを用いて、粒子を濃度の低い領域から濃度の高い領域(すなわち濃度勾配に逆らって)へ細胞膜を通過させる movement であることを説明する 2 能動輸送が分子やイオンを膜を越えて移動させるプロセスとして重要であること、および根毛によるイオン吸収などを含む具体例を説明する
3 能動輸送中にタンパク質キャリアが分子やイオンを膜を越えて移動させることを述べる

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
Active transport vs diffusion

Active transport 主动运输 is the movement of particles through a cell membrane from a region of lower concentration to a region of higher concentration — that is, against the concentration gradient. Because this is "uphill", it needs energy from respiration 呼吸作用.

(Supplement) Active transport lets a cell take in useful molecules or ions even when they are already more concentrated inside the cell. For example, root hairs 根毛 take up mineral ions from the soil by active transport. Protein carriers 载体蛋白 in the membrane pick up the molecules or ions and carry them across, using energy.

日本語
能動輸送 vs 拡散

能動輸送とは、粒子が細胞膜を介して濃度が低い領域から濃度が高い領域へ移動することです。つまり、濃度勾配に逆らって移動します。「上り坂」であるため、呼吸によるエネルギーが必要です。

細胞膜のキャリアタンパク質が低濃度側の粒子を受け取り、呼吸によるエネルギーを使って高濃度側へ運ぶ
能動輸送はエネルギーとキャリアタンパク質を使用して、濃度勾配に逆らって粒子を移動させます

(補足) 能動輸送により、細胞は内部にすでに高い濃度がある場合でも有用な分子やイオンを取り込むことができます。例えば、根毛は能動輸送によって土壌から鉱物イオンを吸収します。膜上のタンパク質キャリアが分子やイオンを受け取り、エネルギーを使って膜を越えて運びます。

Explore · ⁨探索⁩

Active transport step by step · ⁨能動的輸送のステップバイステップ⁩

Step the carrier protein through its cycle: it uses energy from ATP to move a particle against the gradient, from low to high. · ⁨キャリアタンパク質をサイクルを通じて一歩ずつ操作します:ATP由来のエネルギーを使って、粒子を濃度勾配に逆らって、低濃度から高濃度へ移動させます。⁩

Explore · ⁨探索⁩

Active transport — pumping uphill · ⁨能動的輸送 — 上り坂へのポンピング⁩

Unlike diffusion, active transport moves substances AGAINST the concentration gradient, so it needs energy. · ⁨拡散と異なり、能動的輸送は物質を濃度勾配に逆らって移動させるため、エネルギーを必要とする。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
transport/ˈtrænspɔːt/ 輸送
active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ 能動輸送
respiration/ˌrespɪˈreɪʃn/ 呼吸作用
root hairs/ruːt heəz/ 根毛
protein carriers/ˈprəʊtiːn ˈkærɪəz/ タンパク質キャリア
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3.3

Comparing the three processes · ⁨3つのプロセスの比較⁩

English
Process Direction Energy from respiration? What moves
diffusion high → low concentration no particles, gases, solutes
osmosis high → low water potential no water only
active transport low → high concentration (against the gradient) yes molecules and ions
日本語
プロセス 方向 呼吸からのエネルギー? 移動するもの
拡散 高濃度 → 低濃度 いいえ 粒子、気体、溶質
浸透圧 高水ポテンシャル → 低水ポテンシャル いいえ 水のみ
能動輸送 低濃度 → 高濃度(勾配に逆らう) はい 分子とイオン
3.3

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Always write net movement: particles move both ways, but the overall flow is down the gradient (for diffusion and osmosis).
  • Osmosis moves water only, and only through a partially permeable membrane. Diffusion can move many kinds of particle.
  • Only active transport uses energy from respiration, and only it goes against the gradient.
  • For the potato or plant experiment: water in → turgid, longer and heavier; water out → flaccid, shorter and lighter; equal concentration → no change.
  • A larger surface area, higher temperature, steeper concentration gradient and shorter distance all make diffusion faster.
日本語
  • 常に正味の移動として記述します:粒子は両方向に動きますが、全体としての流れは勾配を下向きです(拡散および浸透圧の場合)。
  • 浸透圧は水のみを移動させ、かつ半透膜を介してのみ行われます。拡散は多種多様な粒子を移動させることができます。
  • 能動輸送だけが呼吸によるエネルギーを使用し、唯一勾配に逆らって移動します。
  • ジャガイモや植物の実験において:水入り→膨張、長く重く;水出し→萎縮、短く軽く;等濃度→変化なし。
  • 表面積が大きいほど、温度が高いほど、濃度勾配が急なほど、距離が短いほど、拡散は速くなります。

Interactive lessons on this topic · ⁨このトピックのインタラクティブ授業⁩

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