細胞與水
一切生物之身體均由細胞所組成，而每一細胞之原生質中，水又佔了很大的部分，例如人的體細胞中，約有80％是水，若以整個人體計算，水平均佔體重的60％以上。植物之細胞液、花蜜、漿果，動物之血液、淋巴液或其他腺體之分泌物等，都含大量水分。生命源於水，而今天生活於水中之生物不計其數。細胞不單含大量水分，亦常為液體所包圍。一般來說，祇有水分子及部分溶於水中之物質才能穿過細胞膜。由於不是所有溶於水之物質均能通過，故細胞膜被稱為選擇性滲透膜。
水對生物之重要性
水是最佳溶劑：多數物質都能溶於水，成為分子或離子，由於有充分混合之機會，化學作用乃易於進行。植物根部祇能吸收溶於水中之無機鹽，若沒有水作為溶劑，植物便不能從土壤中吸取養料。葡萄糖、氨基酸等消化產物必須溶於水，才能被動物小腸吸收。此外，生物體內之養料、氣體、廢物、激素等亦賴水才能運輸至身體各部分。
水是極穩定之物質：物質溶於水時，在一般情況下，水並不參與該物質之化學變化，故不會影響該物質之性質。
水亦能直接參與生物體中之化學反應：例如光合作用中，水是其中一種原料；種子在萌發時，貯藏於胚乳中之養料之水解作用或動物消化食物時之水解作用，都必須有水才能完成。
水之比熱大：原生質內之水分，當周圍溫度急劇變化時，有緩衝調節之功。蓋水能吸收大且熱而溫度祇作微升。故水與空氣比較，實為一更佳之生活媒介。
水結冰時，體積增加而密度降低（其他液體則相反），故冰能浮於水面。天氣嚴寒時，冰先在水面結成，生於水中之生物在冰層下較暖之水中乃可免被冰結而死。
水具極強之表面張力及內聚力，故能使水分在植物莖內之微細導管中上升。
水是很重要之媒介物。生物體中所有的化學變化都必須在水溶液中進行。配子進行受精時，精子要利用水作為媒介物才能到達卵子，與卵子結合。植物之孢子、花粉、果實、種子等，有些亦靠水來傳播。動物代謝作用產生之熱能，藉水作為媒介而散佈身體各部分。
水有支持作用：水之浮力可以支持水生生物。對陸生植物而言，細胞吸水後，可維持細胞之硬脹狀態，若所有細胞都硬脹，則植物可以直立地面。
水有散熱作用：植物之蒸騰作用及動物之排汗，其目的均為減低生物體之體溫。當水蒸發時，水能從生物體中吸熱，然後將之發散出體外，使生物體之體溫不致不斷升高，影響正常生理作用。
水亦可作為滑潤劑：例如心包腔及胸膜腔中之液體，可減少因心跳和呼吸活動而產生器官間之磨擦；又關節間之滑液可減少因運動而產生之磨擦。
物質經細胞之進出
細胞膜是維持細胞生命之重要構造，物質出入細胞必須通過此膜。此膜能容一些物質通過，但亦能阻止或減慢另外一些物質通過，因其具有此種差別通透性，故被稱為選擇性滲透膜或半滲透性膜。分子小之物質較分子大之物質容易通過細模；故此，含有六個碳原子之葡萄糖比含有十二個碳原子之蔗糖較易通過細胞膜。實驗亦證明不帶電分子比帶電離子更容易進入細胞，顯示離子所帶之電有礙離子過細胞膜，通常脂溶性化合物都較容易通過細胞膜，而水則是一種能自由透過細膜的物質。一般來說，物質進出細胞主要是藉以下三種方法：
擴散作用、滲透作用及主動運輸。前兩種方法為自然進行，無需額外的能量，第三種方法則涉及ATP的使用。擴散作用
物質之分子或離子由高濃度處向低濃度處移動之作用，稱為擴散作用；此作用會持續進行直至兩處之分子或離子濃度相等為止。例如，氧與二氧化碳均能通過細胞膜；細胞時刻需氧以行氧化作用，故細胞內氧之濃度恆小於細胞外，氧進入細胞都較離開的多；二氧化碳為細胞代謝作用之產物，其在細胞內之濃度恆較細胞外為大，故離開細胞之二氧化碳都較進入的多；二者均藉擴散作用進出細胞。不僅氣體如此，如果細胞膜容許它們通過的話，其他溶質之分子(如溶於水的鹽及氧料)或離子亦復如此。
溶質藉擴散作用進出細胞的速率是受以下兩種因素影響的：
一般來說，溶質的擴散速率比氣體的擴散速度低得多，所以擴散作用並非生物體內運輸溶質的很有效辦法。不過，溶質從一細胞進入隔鄰的細胞，擴散作用還是很有效的。
滲透作用
盛在容器內的水，看來很平靜，可是其內的水分子實際上亦是在運動的，不過水分子太小，肉眼不能察覺罷了。每一種物質的分子都能不斷在運動的，即是說都有其一定的化學潛能（或化學勢）水的化學能稱為水潛能（或水勢），純水之水潛能較含有溶質的水之水潛能為高，而溶液裏溶質分子的濃度愈高，則該濃液之水潛能就越低（如上圖所示）。
為了方便起見，科學家把純水的水潛能定為零。所以，含有溶質的水之水潛能便小於零（即為負值，例如-2，-5等)。為什麼水潛能可以是負值呢？解釋起來倒也不難，打個譬喻，我們定了冰的溫度為0℃，因為乾冰的溫度比冰的溫度低攝氏氏78.5度，所以乾冰的溫度就是
-78.5℃了。經實驗證明，水分子是會從水潛能高的系統移到水潛能低的系統的。
由上述討論可知，水分子能經一選擇性溶透膜由水濃度高處向水濃度較低處移動，此種現象，稱為溶透作用。水分子滲透之方向及多少，是決定於滲透性膜內外兩種溶液之水潛能的差別。再者，溶液之水潛能會因其所含溶質之多少而或低或高。溶質分子的存在會降低該溶液中溶劑之化學潛能。故此，在一細胞內，溶質之增加會使其水潛能降低（其值更負），即釋出水的能力減弱。此種因溶質之存在而影響細胞或溶液經選擇性滲透膜而釋出水之能力稱為滲透潛能（或滲透勢）。溶液愈濃（含溶質愈多），則其釋出水之能力愈低，亦即是其溶透潛能愈低。純水不含溶質，其溶透潛能定為零。如此，其他任何含溶質之溶液，其滲透潛能必低於水，故其值亦為負值。置於容器內之溶液，其水潛能與滲透潛能為相等，但在植物細胞內則未必，蓋因植物細胞於吸水或釋出水之過程中，其內流體靜壓力會有改變。細胞內液體愈多，則胞壁會愈硬脹，產生一向內之壓力，使液泡不能過分脹大，此力稱為壓力潛能（或壓力勢）。壓力潛能之增加，使細胞釋出水之能力增加，亦即是增加細胞內溶液之水潛能。由此可知，影響細胞內溶液之水潛能有兩個因素，就是滲透潛能和壓力潛能。其關係如下：
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植物細胞內溶液之水潛能 = |
滲透潛能十 |
壓力潛能 |
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（負值） |
（負值） |
（正值） |
而在容器內之溶液，因不可能產生壓力潛能，故：
溶液之水潛能＝其滲透潛能
根之吸收作用
根部吸收能力最強的是根毛區。根的表皮細胞向外突起形成根毛，伸入土粒間的空隙中。在水分充足的士壤內，每一土粒外均包有一層水膜，內含溶解的鹽類；這些物質主要來自土粒內的礦物質和泥土中生物的代謝產物。與根毛細胞比較，水膜所含的溶質較少，故其水潛能較大，滲透潛能亦較大。而根毛細胞中液泡內的溶質較多，所以其水潛能及滲透潛能均較低。
植物細胞內的水潛能
＜ 泥土中水膜的水潛能 ………………………….(１)水分子運動的趨向是從水潛能高的系統流到水潛能低的系統去的，所以水分子便藉滲透作用從泥土中的水膜流入根毛細胞內。當水分進入根毛細胞後，液泡脹大，因為植物細胞的細胞壁堅固而略有彈性，不容許細胞過分脹大，細胞內的液體乃產生一靜壓力，使細胞硬脹，此力稱為壓力潛能。
植物細胞內的水潛能
＝ 滲透潛能 ＋ 壓力潛能 …………………..(2)（負值）
（負值） （正值）細胞內液體愈多，壓力潛能就愈大。另一方面，細胞內水分增加而溶質含量不變，導致液泡內溶液濃度減低，所以滲透潛能亦相應增加。從以上２式可知，當細胞內的滲透潛能及壓力潛能均增加時，其水潛能亦隨之增加。當細胞內的水潛能增加至與泥土中的水膜的水潛能相等時，根毛細胞便停止吸水。
植物細胞內的水潛能
＝ 泥土中水膜的水潛能 …………………………..(３)這時候即使水膜內的滲透潛能仍大於細胞內的滲透潛能，滲透作用亦會停止。