以“小球藻”為載體，構(gòu)建高三專題復(fù)習(xí)設(shè)計(jì)

曹燕波+丁婷

摘 要 以小球藻為線索，從不同的視角選擇了與小球藻相關(guān)的素材，將高中生物學(xué)的相關(guān)核心知識(shí)串聯(lián)起來，展開專題復(fù)習(xí)，提升學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，完成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)，提高復(fù)習(xí)的效率。

關(guān)鍵詞 小球藻 核心知識(shí) 專題復(fù)習(xí)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 小球藻的背景介紹

小球藻為綠藻門小球藻屬單細(xì)胞綠藻，是一種高效的光合植物，分布廣泛，易于培養(yǎng)，繁殖迅速，是地球上動(dòng)植物中唯一能在20 h增長(zhǎng)4倍的植物。此外，小球藻還能去除廢水中的營養(yǎng)物，實(shí)現(xiàn)廢水的資源化。自1890年荷蘭微生物學(xué)家拜靈克發(fā)現(xiàn)小球藻以來，它就成為十分活躍的模式生物。美國科學(xué)家卡爾文就曾利用小球藻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了“卡爾文循環(huán)”，因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

高中生物學(xué)的許多核心知識(shí)都可涉及小球藻。筆者在高三二輪復(fù)習(xí)過程中，嘗試從不同的視角選擇與小球藻相關(guān)的素材串聯(lián)成復(fù)習(xí)專題，從而提升學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，促進(jìn)學(xué)生完成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)，提高學(xué)生解決相關(guān)生物學(xué)問題的興趣與能力，取得了良好的復(fù)習(xí)效果。

2 小球藻與細(xì)胞結(jié)構(gòu)

小球藻是單細(xì)胞、能進(jìn)行光合作用的植物。與原核細(xì)胞相比，它有真核細(xì)胞的特征；與動(dòng)物細(xì)胞及酵母菌相比，又具有植物細(xì)胞的特征，因此在細(xì)胞結(jié)構(gòu)方面的考題都可以它為線索。

可以設(shè)計(jì)以下問題：

① 與藍(lán)藻相比小球藻在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的區(qū)別有哪些？

② 與酵母菌相比，小球藻在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的區(qū)別有哪些？

③ 小球藻因?yàn)橛芯€粒體和葉綠體兩種細(xì)胞器，所以具有什么生理功能？它的新陳代謝類型又是什么？

3 小球藻在細(xì)胞代謝中的應(yīng)用

3.1 小球藻與光合作用

20世紀(jì)50年代，卡爾文及其同事利用小球藻的光合作用，發(fā)現(xiàn)了“卡爾文循環(huán)”。他因此獲得了1961年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

教師可以設(shè)計(jì)以下問題：

① 利用同位素標(biāo)記法，追蹤碳元素和氧元素的轉(zhuǎn)移途徑。

② 通過改變實(shí)驗(yàn)條件（比如光照強(qiáng)度，CO2濃度）來探究卡爾文循環(huán)中C3和C5的含量變化。

③ 通過改變實(shí)驗(yàn)條件，探究影響光合作用的環(huán)境因素有哪些。

3.2 小球藻與光合作用、呼吸作用

光合作用利用CO2和H2O合成了有機(jī)物并且產(chǎn)生O2，而有氧呼吸卻是在有O2條件下徹底氧化分解有機(jī)物生成CO2和H2O。

教師可以設(shè)計(jì)以下問題：

① 利用水體中放置的黑白瓶，通過測(cè)定瓶?jī)?nèi)溶解氧的多少來探討光合作用和呼吸作用的強(qiáng)弱問題。

② 通過測(cè)定光照條件下密閉容器內(nèi)小球藻吸收CO2的量以及黑暗環(huán)境中釋放CO2的量，來辨明實(shí)際光合作用與凈光合作用的關(guān)系。

【例1】 將某小球藻放在特定的實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)，研究溫度對(duì)光合作用與呼吸作用的影響（其余的實(shí)驗(yàn)條件都是理想的），實(shí)驗(yàn)以CO2的吸收量與釋放量為指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

（1） 晝夜不停地光照，溫度在35℃時(shí)小球藻能否生長(zhǎng)繁殖？晝夜不停地光照，該小球藻生長(zhǎng)繁殖的最適宜溫度是多少度？

（2） 每天交替進(jìn)行12 h光照、12 h黑暗，溫度均保持在30℃的條件下，該小球藻能否生長(zhǎng)繁殖？為什么？

（3） 根據(jù)表中數(shù)據(jù)，繪出光合作用吸收CO2量與溫度之間關(guān)系的曲線。

（4） 寫出小球藻有氧呼吸反應(yīng)式。

3.3 小球藻與激素調(diào)節(jié)

小球藻中的雨生紅球藻是天然蝦青素含量較高的物種之一。蝦青素是一種類胡蘿卜素，色澤鮮紅，因其具有良好的抗氧化能力和著色作用而受到廣泛關(guān)注?？蒲腥藛T研究發(fā)現(xiàn)植物激素對(duì)于小球藻的生長(zhǎng)有著重要的影響。

【例2】 為了培養(yǎng)雨生紅球藻以獲得蝦青素，科研人員研究了A、B兩種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)單位體積藻液雨生紅球藻細(xì)胞數(shù)、干物質(zhì)質(zhì)量、蝦青素含量的影響，結(jié)果見表2。請(qǐng)回答下列問題：

（1） B的濃度從0.1 mg/L提高到0.5 mg/L時(shí)，雨生紅球藻單位干物質(zhì)中蝦青素含量的變化是

。

（2） 兩種生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑中，與細(xì)胞分裂素生理功能更相似的是 。

（3） 在本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究A、B的協(xié)同作用對(duì)雨生紅球藻增產(chǎn)蝦青素的影響，該實(shí)驗(yàn)需設(shè)置 組實(shí)驗(yàn)，選用A、B時(shí)首先應(yīng)考慮的濃度分別為 。

4 小球藻在種群和群落水平中的應(yīng)用

4.1 小球藻與種群數(shù)量

小球藻是單細(xì)胞植物，營養(yǎng)價(jià)值極高，可以用液體培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)而大量獲得。教師可以利用種群數(shù)量變化的相關(guān)知識(shí)來建構(gòu)小球藻的種群增長(zhǎng)模型，

可以設(shè)計(jì)以下問題：

① 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究培養(yǎng)液中的小球藻種群的數(shù)量是怎樣隨時(shí)間變化的。

② 實(shí)驗(yàn)過程中，如何對(duì)小球藻進(jìn)行計(jì)數(shù)？該實(shí)驗(yàn)過程是否需要設(shè)置對(duì)照？是否需要重復(fù)實(shí)驗(yàn)？怎樣記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果？小球藻數(shù)量過多計(jì)數(shù)不清，怎樣處理？對(duì)于壓在小方格界線上的小球藻，該怎樣計(jì)數(shù)？

③ 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究溫度、光照強(qiáng)度、培養(yǎng)液濃度等條件對(duì)小球藻種群數(shù)量變化的影響。

④ 培養(yǎng)液中小球藻隨時(shí)間變化達(dá)到環(huán)境容納量即K值，影響其種群數(shù)量繼續(xù)增大的因素有哪些？若要提高K值，可采取哪些措施？

4.2 小球藻與種間關(guān)系

小球藻為綠色植物，在生態(tài)系統(tǒng)中屬于生產(chǎn)者，可與其他生物形成捕食、競(jìng)爭(zhēng)、互利共生等多種種間關(guān)系。

【例3】 在1～3號(hào)3個(gè)三角瓶中分別加入某種培養(yǎng)液，把瓶口封閉后在高溫下滅菌處理。冷卻后，1號(hào)瓶?jī)?nèi)放入某種小球藻，瓶?jī)?nèi)的小球藻個(gè)體數(shù)變化如圖1所示。2號(hào)瓶?jī)?nèi)同時(shí)放入浮游動(dòng)物與小球藻，兩者個(gè)體數(shù)目變化如圖2所示。3號(hào)瓶?jī)?nèi)同時(shí)放入等量的細(xì)菌和小球藻，兩者個(gè)體數(shù)目變化如圖3。以上實(shí)驗(yàn)是在25℃、光照充足條件下進(jìn)行的。回答下列各問題：

（1） 請(qǐng)將圖1的個(gè)體數(shù)量變化曲線轉(zhuǎn)換成種群中個(gè)體數(shù)量增長(zhǎng)率變化曲線。

（2） 由圖1可知，瓶?jī)?nèi)小球藻在第1天至第3天的生長(zhǎng)特點(diǎn)是 ；在第3天至第6天的生長(zhǎng)特點(diǎn)是 ，原因是 。

（3） 由圖2可知，小球藻與浮游動(dòng)物的關(guān)系屬于 。

（4） 根據(jù)圖3，試分析細(xì)菌與小球藻兩者個(gè)體數(shù)能得以不斷增加的原因 。

5 小球藻在生物工程中的應(yīng)用

5.1 小球藻與固定化技術(shù)

固定化細(xì)胞技術(shù)是用于獲得細(xì)胞的酶和代謝產(chǎn)物的一種方法，起源于20世紀(jì)70年代，是在固定化酶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。與固定化酶相比，固定化細(xì)胞制備的成本更低，操作簡(jiǎn)單，可以催化一系列的生化反應(yīng)。

固定化小球藻技術(shù)采用褐藻酸鈣凝膠包埋固定普通小球藻?？茖W(xué)研究表明，與懸浮狀態(tài)下的小球藻相比，固定化小球藻對(duì)人工配置的污水中氨氮、正磷酸鹽及重金屬汞的凈化效率要高許多。教師可以此實(shí)例為主線復(fù)習(xí)固定化細(xì)胞技術(shù)的原理和實(shí)驗(yàn)操作。

【例4】 為了探索海藻酸鈉固定化對(duì)綠球藻生長(zhǎng)的影響，以及固定化藻對(duì)含Zn2+污水的凈化作用，科研人員用篩選到的一株綠球藻進(jìn)行試驗(yàn)，流程及結(jié)果如圖4、圖5所示。請(qǐng)回答下列問題： （1） 實(shí)驗(yàn)中的海藻酸鈉作用是 ，CaCl2的作用是 。

（2） 為洗去凝膠球上殘余的CaCl2和其他污染物，并保持綠球藻活性，宜采用 洗滌。圖4中用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的海藻酸鈉溶液培養(yǎng)24 h后，移去凝膠球，溶液呈綠色，原因是 。

（3） 為探索固定化藻對(duì)含Zn2+污水的凈化作用，應(yīng)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 的海藻酸鈉溶液制備凝膠球。

（4） 圖5中空白凝膠球組Zn2+濃度下降的原因是 。結(jié)合圖4和圖5分析，固定化藻的實(shí)驗(yàn)組24～48 h間Zn2+濃度下降速度較快的主要原因是 72～96 h間Zn2+濃度下降速度較慢的原因有 。

5.2 小球藻與污水處理

用小球藻處理廢水，不僅能有效去除廢水中的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，還能超負(fù)荷吸收重金屬汞，降解農(nóng)藥、烷烴、酚類等多種有機(jī)物。將富含養(yǎng)分的無毒廢水進(jìn)行資源化處理，處理水可用于農(nóng)田灌溉和工業(yè)化生產(chǎn)，達(dá)到了用水高效而經(jīng)濟(jì)的目的。教師可以以此實(shí)例為主線復(fù)習(xí)生態(tài)工程的相關(guān)原理。

5.3 小球藻與清潔能源

在能源危機(jī)、強(qiáng)調(diào)保護(hù)環(huán)境的當(dāng)今社會(huì)，生物能源作為一種新興的清潔能源，是我國目前需要重點(diǎn)發(fā)展的非化石能源之一。研究發(fā)現(xiàn)小球藻的單位面積油產(chǎn)量是油料作物的十幾倍，且不與人類爭(zhēng)糧、爭(zhēng)地、爭(zhēng)水，如果善加利用，極有可能在短時(shí)間內(nèi)成為我國的重要能源物質(zhì)，目前小球藻在作為生物柴油原料方面引起廣泛的重視。

5.4 小球藻與基因工程

轉(zhuǎn)基因小球藻是一種新型生物反應(yīng)器。由于小球藻富含人和動(dòng)物所必需的氨基酸、維生素、磷、鈣、鐵等營養(yǎng)成分，被認(rèn)為是極有營養(yǎng)價(jià)值的保健食品。由于它繁殖速度快，以它為載體生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因藥物，可以簡(jiǎn)化下游工藝，尤其是粗制品可制成口服制劑，既免去了分離提純的繁瑣工藝，又可以達(dá)到治療和保健的雙重功效，這是傳統(tǒng)的大腸桿菌生物反應(yīng)器所不能及的。

我國科學(xué)家已經(jīng)成功地將兔防御素的基因?qū)霗E圓小球藻中，獲得了穩(wěn)定表達(dá)的轉(zhuǎn)基因藻株，并從中分離提取到了具有抑菌活力的防御素，在國際上首次將NP-1基因在小球藻中表達(dá)成功。以小球藻為線索，教師可以此實(shí)例為主線復(fù)習(xí)基因工程的基本工具和基本操作程序。

總之，在高三二輪復(fù)習(xí)中以小球藻為載體，精心選制典型例題，進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞代謝及調(diào)節(jié)、種群、群落、生態(tài)、基因工程等專題的復(fù)習(xí)，可引導(dǎo)學(xué)生完成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)，提升他們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，提高復(fù)習(xí)的有效性。