生物與環境 / 子課題
植物的生命過程
Life Processes in Plants
植物營養（礦物質吸收）、氣體交換、蒸騰作用與影響因素、水分與有機物運輸、支撐機制
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 描述植物對礦物質及水分的吸收與運輸
考評提示：礦物質需要主動運輸吸收
- 考評重點 植物屬自養生物，透過光合作用將二氧化碳固定並合成有機物；植物從土壤吸收的礦物離子 — 氮 (用於合成胺基酸及蛋白質)、鎂 (合成葉綠素)、鈣 (合成細胞壁) 及鐵 (合成含鐵酶類) — 均以主動運輸方式進入根部；缺乏時出現特定的缺素症狀
- 邏輯 根毛細胞具長管狀突出以增加表面積，有利於水分及礦物離子的吸收；礦物離子主要以主動運輸方式逆濃度梯度被吸收，此過程需消耗 ATP；水分則沿水勢梯度透過滲透作用被動進入根毛細胞
HKEAA 評卷員建議
2020 年 硝酸鹽吸收→運輸→同化為胺基酸再合成蛋白質，需列出結構、過程及中間產物。同學常給無關資料如氮循環細節。
2. 解釋植物葉片的氣體交換及蒸騰作用
考評提示：葉的結構適應、蒸騰實驗設計
- 考評重點 葉片結構適應氣體交換：葉片扁平且具大表面積、葉身薄 (擴散距離短)、葉肉細胞之間有氣腔、氣孔可控制 CO₂、O₂ 及水蒸氣的進出；當光強度增加，光合作用速率上升，對 CO₂ 的需求增加，氣孔隨之張開以加快氣體交換
- 邏輯 蒸騰作用驅動水分運輸：葉片氣孔的水分蒸發使葉肉細胞水勢下降；水分沿水勢梯度由木質部被拉上至葉 (蒸騰拉力)；木質部向上運輸水及礦物離子，韌皮部則把光合作用產物 (糖分) 由源 (source) 運送至庫 (sink)
- 考評重點 氣孔的開閉機制：保衛細胞吸水時膨壓增加，細胞彎曲形成氣孔開口；在光照、低 CO₂ 濃度及 K⁺ 離子進入保衛細胞的情況下，水分經滲透作用進入保衛細胞，膨壓上升而氣孔張開；在黑暗或高 CO₂ 濃度下則相反，氣孔關閉
- trap 蒸騰計 (potometer) 量度的是水分吸收速率，並近似於蒸騰速率，但並非直接量度蒸發量；進行比較實驗時，須控制光強度、溫度、濕度及空氣流動等環境變數
HKEAA 評卷員建議
2020 年 蒸騰作用實驗中，49%同學在控制變量方面得零分。燒瓶封閉的重要控制變量是風速和濕度，而非溫度或光照。
3. 比較草本植物與木本植物的支持機制
考評提示：草本vs木本支持方式的比較
- 對比 植物的兩種支撐機制：草本植物主要靠細胞的膨壓提供支撐，當水分充足時細胞飽滿挺立，若水分不足細胞失水、膨壓下降，植株便會萎蔫；木本植物則於木質部導管及纖維細胞壁上沉積木質素，使其堅硬且不透水，提供長期的機械支撐
常見題型 · scoring points
說明植物作為自養生物的重要性
- 植物是自養生物（autotroph）：利用光能，以CO₂和H₂O為原料，通過光合作用合成有機物（葡萄糖），同時釋放O₂。
- 植物是生態系統的生產者（producer）：為所有異養生物提供有機物（食物）和能量來源，是食物鏈的基礎。
- 植物光合作用固定大氣CO₂，維持大氣中CO₂和O₂的平衡，對地球生命的維持至關重要。
- 人類依賴植物作為食物、藥物、建材和化石燃料的來源，體現植物自養性的直接價值。
解釋植物對礦物質（N、Mg、Ca、Fe）的需求及缺乏症狀
- 氮（N）：合成蛋白質（胺基酸）、核酸（DNA/RNA）、葉綠素；缺氮→老葉先黃化（葉綠素降解，N從老葉轉移至嫩葉）。
- 鎂（Mg）：葉綠素分子卟啉環的中心金屬離子，是葉綠素的直接組成成分；缺鎂→葉脈間黃化（脈間失綠症）。
- 鈣（Ca）：細胞壁中膠層（果膠酸鈣）的組成成分，維持細胞壁結構；缺鈣→嫩葉及生長點壞死（Ca不能從老組織轉移）。
- 鐵（Fe）：葉綠素合成的必要輔助因子（Fe不構成葉綠素分子，但合成所需）；缺鐵→嫩葉先黃化（與缺N方向相反）。
描述根的結構及其在水份和礦物質吸收中的功能
- 根毛（root hair）：根表皮細胞的管狀延伸，大幅增加根的吸收表面積（可達普通根的數百倍）。
- 水分吸收：根毛細胞液溶質濃度高→水勢低於土壤溶液→水分以滲透作用（被動）流入根毛；沿皮層細胞間滲透至木質部。
- 礦物質吸收：礦物質離子（如NO₃⁻、K⁺、Ca²⁺）以主動運輸方式逆濃度梯度吸收，需ATP和載體蛋白；土壤中礦物質濃度通常低於根毛細胞液。
- 根毛細胞結構適應：細胞壁薄（減少擴散距離）、無葉綠體（地下，無光）、大量線粒體（供主動運輸所需ATP）、大液泡（維持高溶質濃度）。
描述葉的結構特徵及其與氣體交換和減少水份散失的關係
- 葉片扁平薄：大表面積→最大化吸光 and 氣體交換；薄→縮短CO₂/O₂從氣孔到葉肉細胞的擴散距離。
- 葉肉細胞間的胞間隙（air spaces）：海綿組織胞間隙發達→提供CO₂和O₂在葉內擴散的通道，增大細胞與空氣接觸面積。
- 氣孔（stomata）位於下表皮（多於上表皮）：減少陽光直射引起的水分蒸發；白天開放進行氣體交換，夜晚/缺水時關閉以減少水分散失。
- 角質層（cuticle）：表皮細胞分泌的不透水蠟質層，防止水分非氣孔性散失；下表皮角質層較薄（與氣孔多有關）。
解釋光強度對植物氣體交換速率的影響
- 黑暗：只有呼吸作用，植物淨吸收O₂、淨釋放CO₂；氣孔關閉，無光合氣體交換。
- 光補償點（light compensation point）：光強度使光合速率恰好等於呼吸速率，CO₂和O₂無淨氣體交換。
- 光強度超過補償點：光合速率>呼吸速率，淨吸收CO₂，淨釋放O₂；氣孔開放，CO₂進入增加。
- 光強度↑→保衛細胞光合↑→糖類積累→滲透壓↑→吸水→膨壓↑→氣孔開放→CO₂進入增加→光合加速（正反饋循環）。
- 光飽和點以上：光合速率不再隨光強增加（CO₂濃度或溫度成為限制因素）；氣體交換速率趨於平穩。
解釋蒸騰作用與水份吸收、轉運及植物冷卻的關係
- 蒸騰拉力（transpiration pull）：葉片水分蒸發→木質部水勢↓→形成負壓（張力）→從根部向上拉動連續水柱（黏聚力-張力學說）。
- 水分吸收連動：葉片失水→木質部水勢降低傳至根部→根毛細胞水勢高於木質部→水分以滲透作用持續流入根→維持連續水流。
- 礦物質隨水運輸：礦物質離子溶於水，隨水分在木質部向上被動運輸至葉片，不需額外消耗ATP。
- 植物冷卻：水分蒸發需吸收氣化潛熱（約2.4 kJ/g），帶走葉片熱量，防止葉片在強光照射下因溫度過高而損傷酶（蛋白質）。
解釋環境因素對蒸騰速率的影響
- 溫度↑→葉片水蒸氣壓升高、空氣飽和水蒸氣壓亦升高，但葉片與大氣間水蒸氣濃度梯度↑→蒸騰速率↑。
- 相對濕度↑→大氣水蒸氣濃度↑→葉片與大氣間水蒸氣濃度梯度↓→蒸騰速率↓。
- 光強度↑→氣孔開放程度↑→水蒸氣逸出阻力↓→蒸騰速率↑。
- 風速↑→帶走氣孔附近水蒸氣→維持高濃度梯度→蒸騰速率↑；無風時水蒸氣積聚於葉表面，梯度↓。
- 蒸騰計（potometer）：量度水分吸收速率（≈蒸騰速率），非直接量度蒸發量；實驗設計每次只改變一個自變量，控制其他因素不變。
描述物質在有花植物中的轉運途徑
- 木質部（xylem）：運輸水分和礦物質離子，由根→莖→葉，單向向上；導管（vessel）由死細胞組成，無細胞質，無橫壁，木質素加固壁，水柱連續流動。
- 韌皮部（phloem）：運輸有機養料（主要是蔗糖）雙向運輸，從源（source，如製造有機物的葉片）到庫（sink，如根、果實、生長點）。
- 韌皮部結構：篩管細胞（活細胞，無核，有篩板）+ 伴細胞（有核，提供ATP）；蔗糖裝載需主動運輸（消耗ATP）。
- 水分轉運路徑：根毛（滲透）→皮層→木質部→莖→葉→蒸騰散失。
比較草本和木本雙子葉植物的支持機制
- 草本雙子葉植物（如豆苗）：主要靠細胞膨壓（turgor pressure）支持；細胞充水→細胞壁受壓→組織硬挺；缺水→膨壓↓→植株萎蔫（wilting）；木質素含量少。
- 木本雙子葉植物（如樹木）：主要靠木質素（lignin）沉積於木質部細胞壁提供機械支撐；木質素使細胞壁堅硬，不隨失水而軟化，可支撐巨大體積和重量。
- 比較：草本→靠水（膨壓），失水即萎蔫，支撐力有限；木本→靠木質素，持久堅固，不受水分狀態影響。
- 兩者均有厚角組織（collenchyma，細胞角隅加厚）和厚壁組織（sclerenchyma，均勻加厚木質化）提供額外機械支持。
解釋蒸騰拉力及內聚力-張力理論在水分轉運中的作用
- 蒸騰拉力（transpiration pull）：葉片水分蒸發產生負壓（抽吸力），是水分由根向莖、葉上升的主要動力。
- 連續水柱：水分子在木質部導管內形成一條連續不斷的水柱，被蒸騰拉力向上拉動。
- 木質素加固：木質部細胞壁含木質素，防止導管因負壓而塌陷，並維持水柱的連續性。
比較木質部導管與韌皮部篩管的結構適應
- 木質部導管：死細胞組成，無細胞質及細胞核，形成中空的管道以減少水流阻力；無橫壁使水流連續；壁有木質素加固以提供支持。
- 韌皮部篩管：活細胞組成，但缺乏細胞核、液泡及大部分細胞器，為有機物質運輸留出空間；具篩板（sieve plates）及其上的篩孔，方便溶質通過。
- 伴細胞（companion cells）：與篩管緊密相連，含大量線粒體提供ATP，主動裝載蔗糖進入篩管。
- 功能差異：木質部靠物理力（被動）運輸水分及礦物質；韌皮部靠壓流機制（需能量參與的主動過程）轉運有機養分。
描述蒸騰計的實驗設置、操作要點及限制
- 設置：必須在水底切割植物嫩枝，並在水中連接儀器，以防止空氣進入木質部導管形成氣栓（embolism）。
- 密封：所有連接處塗上凡士林（Vaseline）確保氣密，防止水分滲漏或空氣進入影響讀數。
- 操作：利用儲水瓶將氣泡重設至零位；計時測量氣泡移動的距離以計算水分吸收速率。
- 限制：蒸騰計量度的是「水分吸收速率」而非直接量度「蒸騰速率」；部分吸收的水分用於光合作用及維持細胞膨壓。
描述草本植物的膨壓支持機制及萎蔫的原因
- 支持機制：水分進入液泡產生膨壓（turgor pressure），使細胞內容物壓向細胞壁；細胞變得硬挺（turgid），為非木質化組織提供支持。
- 吸水與失水：當周圍環境水勢高於細胞液時，水滲透進入細胞（吸水）；反之則失水（質壁分離）。
- 萎蔫（wilting）：當蒸騰速率超過根部吸水速率時，細胞失去膨壓變得柔軟（flaccid）；葉片和莖部下垂以減少受光面積，從而減少水分進一步散失。
- 生理意義：短暫萎蔫是植物的一種保護性反應，但長期萎蔫會導致細胞損傷及光合作用停止。
生物與環境 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 生物神器 App。
