溯源窮流：構(gòu)建生物學(xué)“來(lái)源—去路”思維模式

甘肅 彭二雄

溯源窮流：構(gòu)建生物學(xué)“來(lái)源—去路”思維模式

甘肅 彭二雄

生命有機(jī)體是開(kāi)放的自組織系統(tǒng)，不斷伴隨著物質(zhì)、能量與信息的輸入和輸出。在與外界環(huán)境的相互作用中，系統(tǒng)輸入和輸出始終處于動(dòng)態(tài)變化與平衡之中。許多學(xué)生常常靜態(tài)片面地看待生物學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)相關(guān)內(nèi)容和習(xí)題往往感到迷惑不解、無(wú)從下手。依據(jù)溯源窮流的動(dòng)態(tài)思維構(gòu)建分析生物學(xué)過(guò)程的“來(lái)源—去路”思維模式，可以準(zhǔn)確把握核心知識(shí)的內(nèi)涵與外延，厘清相關(guān)知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，將許多疑難問(wèn)題化難為易、精巧解析。

1.來(lái)蹤去跡明晰過(guò)程

1.1 追蹤元素“來(lái)源—去路”，把握化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，反應(yīng)物是產(chǎn)物中元素的來(lái)源，產(chǎn)物是反應(yīng)物中元素的去路，元素在反應(yīng)前后總量不變。例如，有氧呼吸產(chǎn)物H2O中的O來(lái)源于O2，反應(yīng)物H2O中的O則經(jīng)反應(yīng)進(jìn)入CO2；根據(jù)脫水縮合反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，N元素來(lái)源于氨基酸α碳上的氨基（—NH2）和R基上的氨基，反應(yīng)后則出現(xiàn)在肽鏈中的肽鍵（—CO—NH—）、肽鏈末端留存的氨基和R基上氨基。通過(guò)追蹤化學(xué)反應(yīng)中元素的“來(lái)源—去路”，可以深入理解代謝反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，從而化難為易、輕松解題。

【例題】圖1表示一種鏈狀十九肽（CxHyOzNwS，z≥22，w≥20）水解的產(chǎn)物，經(jīng)測(cè)定，其徹底水解的產(chǎn)物只有以下五種氨基酸。該十九肽徹底水解后可產(chǎn)生____個(gè)賴氨酸，____個(gè)天冬氨酸。

圖1

【解析】賴氨酸與另外四種氨基酸的主要區(qū)別在于其R基上有一個(gè)—NH2。根據(jù)脫水縮合反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，N元素在反應(yīng)前后“來(lái)源=去路”（圖2）。肽鏈側(cè)鏈基團(tuán)上的—NH2共w-（19-1）-1個(gè)，故賴氨酸共w-19個(gè)。天冬氨酸的特點(diǎn)在于其R基上有一個(gè)—COOH，可追蹤O元素計(jì)算其數(shù)目為（z-20）/2個(gè)。

圖2

【答案】w-19 （z-20）/2

1.2 追蹤能量“來(lái)源—去路”，掌握能量流動(dòng)特點(diǎn)

能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的功能之一，具有單向流動(dòng)和逐級(jí)遞減的特點(diǎn)，各營(yíng)養(yǎng)級(jí)都有特定的能量輸入和流向（圖3）。追蹤不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量輸入和特定流向，可以深入理解和掌握生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的特點(diǎn)。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量“來(lái)源—去路”

【例題】如圖4是某人工魚(yú)塘生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò)程中部分環(huán)節(jié)涉及的能量值[單位為103kJ/（m2·y）]。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是 （ ）

圖4

A.圖中A代表的生理過(guò)程是呼吸作用

B.第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量傳遞效率為15.625%

C.該生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者固定的總能量是9.6×104kJ/（m2·y）

D.捕食關(guān)系一般不可逆轉(zhuǎn)，所以能量流動(dòng)具有單向性

【解析】根據(jù)題意，A為呼吸作用散失的熱能，A項(xiàng)正確；題中信息可轉(zhuǎn)化為圖5，則c=2.5，b=14，a=110，C項(xiàng)錯(cuò)誤；肉食性動(dòng)物從植食性動(dòng)物獲得并同化的能量為2.5，植食性動(dòng)物的同化量為捕食與有機(jī)物輸入之和為16，故從第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)到第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量傳遞效率為2.5/16×100%=15.625%，B項(xiàng)正確；食物鏈和食物網(wǎng)是以食物關(guān)系形成的聯(lián)系，捕食關(guān)系的單向性決定了能量流動(dòng)的單向性，D項(xiàng)正確。

【答案】C

圖5

2.有來(lái)有去明確變化

2.1 綜合代謝“來(lái)源—去路”，判斷物質(zhì)含量變化

代謝反應(yīng)中的物質(zhì)既有生成補(bǔ)充（來(lái)源）又有反應(yīng)耗減（去路）。當(dāng)生成＞消耗時(shí)，相應(yīng)物質(zhì)含量增加；生成＜消耗，相應(yīng)物質(zhì)含量減少；生成=消耗，相應(yīng)物質(zhì)含量保持穩(wěn)定。例如，植物體中有機(jī)物含量的變化取決于其光合作用合成有機(jī)物與呼吸作用消耗有機(jī)物的速率大小關(guān)系；細(xì)胞中ATP的含量之所以保持相對(duì)穩(wěn)定是由于其水解與合成時(shí)刻不停地發(fā)生并處于動(dòng)態(tài)平衡之中；光合作用中C3、C5等物質(zhì)含量變化取決于光照強(qiáng)度、CO2濃度等環(huán)境因素變化對(duì)光反應(yīng)、CO2固定、C3還原等反應(yīng)過(guò)程的影響。只關(guān)注物質(zhì)的生成或者消耗，會(huì)導(dǎo)致對(duì)其含量變化的片面判斷。

【例題】離體葉綠體在光下進(jìn)行穩(wěn)定的光合作用時(shí)，如果突然改變某一條件，下列關(guān)于短時(shí)間內(nèi)葉綠體中相關(guān)物質(zhì)的相對(duì)含量變化的敘述，正確的是 （ ）

A.突然中斷CO2供應(yīng)，C5含量減少

B.突然增大光強(qiáng)，C3含量增多

C.突然停止光照，ADP含量減少

D.突然中斷CO2供應(yīng)，ATP含量增多

【解析】本類型習(xí)題易錯(cuò)之處在于不能對(duì)光合作用（光反應(yīng)與暗反應(yīng)、CO2固定與C3還原）等過(guò)程涉及的相關(guān)物質(zhì)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，綜合分析相關(guān)物質(zhì)的“來(lái)源—去路”可以準(zhǔn)確判斷其含量變化。光合作用穩(wěn)定時(shí)，CO2固定與C3還原相對(duì)穩(wěn)定，葉綠體中ATP與ADP的轉(zhuǎn)化也處于動(dòng)態(tài)平衡，即來(lái)源≈去路。C3還原（C5來(lái)源）→C5→CO2固定（C5去路），突然中斷CO2供應(yīng)，導(dǎo)致CO2固定受到限制（C5去路受阻），C3還原暫未受影響（C5來(lái)源不變），C5含量增加，A項(xiàng)錯(cuò)誤。CO2固定（C3來(lái)源）→C3→C3還原（C3去路），突然增大光強(qiáng)（原初條件未達(dá)到光飽和點(diǎn)），光反應(yīng)產(chǎn)物ATP和[H]增多，導(dǎo)致C3還原加快（去路增大），CO2固定暫不受影響（來(lái)源正常），C3含量減少，B項(xiàng)錯(cuò)誤；ATP水解（ADP來(lái)源）→ADP→ATP合成（ADP去路），突然停止光照，光反應(yīng)衰減，ATP合成受阻，ATP水解正常，ADP含量增多,C項(xiàng)錯(cuò)誤；ATP合成（來(lái)源）→ATP→ATP水解（去路），突然中斷CO2供應(yīng)使C3含量驟減，ATP失去作用對(duì)象而水解減弱（去路受阻），光反應(yīng)繼續(xù)利用ADP合成ATP（來(lái)源正常），ATP含量增多，D項(xiàng)正確。

【答案】D

2.2 綜合生物“來(lái)源—去路”，分析種群數(shù)量變化

種群密度（數(shù)量）受到出生率、遷入率的增加補(bǔ)充和死亡率、遷出率損消減少的直接影響，也受到年齡組成和性別比例的間接影響（圖6）。其中，出生率和死亡率是影響種群密度變化最主要的因素。一般出生率＞死亡率，種群密度增加；出生率＜死亡率，種群密度下降；出生率=死亡率，種群密度維持穩(wěn)定。

圖6 種群數(shù)量的“來(lái)源—去路”

【例題】如圖7所示，下列對(duì)種群數(shù)量變化曲線的解讀，不合理的是 （ ）

圖7

A.種群數(shù)量增長(zhǎng)最快是在b和n點(diǎn)，能獲得最大日捕獲量

B.o點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)期，種群的出生率等于0

C.c點(diǎn)時(shí)種群個(gè)體總數(shù)達(dá)到了環(huán)境容納量o，種內(nèi)斗爭(zhēng)最激烈

D.d點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)期與p相同

【解析】上圖中a點(diǎn)出生率＞死亡率，種群數(shù)量增長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)下圖中m點(diǎn)；b點(diǎn)出生率與死亡率的差值最大，種群增長(zhǎng)最快，對(duì)應(yīng)n點(diǎn)；c點(diǎn)出生率=死亡率＞0，種群數(shù)量達(dá)到環(huán)境容納量并保持穩(wěn)定，個(gè)體總數(shù)最大，種內(nèi)斗爭(zhēng)最激烈；d點(diǎn)時(shí)出生率＜死亡率，種群數(shù)量下降，對(duì)應(yīng)p點(diǎn)。

【答案】B

3.來(lái)去平衡保持穩(wěn)態(tài)

3.1 追尋平衡“來(lái)源—去路”，理解穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)內(nèi)涵

內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)是相關(guān)物質(zhì)和能量的來(lái)源、去路動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。許多人往往僅著眼于抽象的調(diào)節(jié)方式（神經(jīng)調(diào)節(jié)、激素調(diào)節(jié)等），而忽略了與生活聯(lián)系更為密切的具體調(diào)節(jié)對(duì)象——相關(guān)物質(zhì)和能量的來(lái)源、去路問(wèn)題。例如神經(jīng)系統(tǒng)、激素等并非直接作用于血糖、水鹽或者能量本身，而是通過(guò)增減相應(yīng)來(lái)源、去路以維持其“來(lái)源≈去路”來(lái)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的。例如，血糖平衡是胰島素、胰高血糖素（腎上腺素）等調(diào)節(jié)血糖來(lái)源和去向動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果（圖8）；滲透壓平衡是生物機(jī)體水、鹽攝入與排出動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，主要通過(guò)控制排出尿量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；體溫相對(duì)穩(wěn)定是機(jī)體產(chǎn)熱和散熱平衡的結(jié)果，機(jī)體產(chǎn)熱與散熱變化受到神經(jīng)調(diào)節(jié)與體液調(diào)節(jié)的共同作用。拋卻“來(lái)源—去路”單純看調(diào)節(jié)，往往會(huì)顯得空洞抽象、無(wú)從著落。

圖8 血糖的來(lái)源—去路及其調(diào)節(jié)

【例題】如圖9所示，將20℃恒溫下的四只小動(dòng)物同時(shí)分別置于恒溫15℃、25℃條件下一小段時(shí)間，在改變溫度的這段時(shí)間里，預(yù)測(cè)他們的耗氧量、產(chǎn)（散）熱量變化情況（假設(shè)20℃條件下四只小動(dòng)物代謝水平相同）。下列說(shuō)法不正確的是 （ ）

圖9

A.甲的產(chǎn)熱量＞丙的產(chǎn)熱量

B.乙的耗氧量＜丁的耗氧量

C.甲的產(chǎn)熱量=甲的散熱量

D.丙的產(chǎn)熱量=丙的散熱量

【解析】小鼠是恒溫動(dòng)物，青蛙是變溫動(dòng)物。小鼠甲與青蛙丙從20℃環(huán)境移到15℃環(huán)境，小鼠甲體溫處于相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)熱與散熱基本相等，C項(xiàng)正確；但外界溫度降低，與小鼠體溫溫差增大，小鼠甲散熱增大，為了維持體溫恒定，產(chǎn)熱亦增大，青蛙丙的體溫會(huì)下降到15℃左右，散熱增大，產(chǎn)熱減少，A項(xiàng)正確；小鼠乙與青蛙丁從20℃環(huán)境移到25℃環(huán)境，青蛙丁的體溫將會(huì)升高，產(chǎn)熱增大散熱減少，青蛙丁耗氧量增大，產(chǎn)熱＞散熱，D項(xiàng)錯(cuò)誤；小鼠乙的體溫不變，環(huán)境溫度升高與小鼠體溫溫差縮小，小鼠散熱減少，產(chǎn)熱降低，耗氧量減少，B項(xiàng)正確。

【答案】D

3.2 追尋反應(yīng)“來(lái)源—去路”，體悟平衡生命觀念

生命系統(tǒng)的平衡是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生理穩(wěn)定的前提，從細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)含量到生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能均能保持動(dòng)態(tài)平衡。穩(wěn)定與平衡觀是生物學(xué)核心素養(yǎng)中重要的生命觀念之一。依據(jù)“來(lái)源-去路”系統(tǒng)性思維，可以深入分析生命系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)變化與平衡的原因。

【例題】如果突然降低CO2濃度，光合作用中C3的含量會(huì)否一直下降？

【解析及參考答案】降低CO2濃度，CO2固定減慢，C3來(lái)源減少，其他條件不變，短時(shí)間內(nèi)C3還原不會(huì)變化，C3去路不變，短時(shí)間內(nèi)C3含量下降。至于C3含量是否會(huì)一直下降則并非線性分析可以解釋。利用來(lái)源和去路趨于平衡可以反映其中包含的穩(wěn)定與平衡觀念。CO2來(lái)源減少卻未停止，C3含量下降影響光反應(yīng)速率，CO2固定與C3還原、光反應(yīng)與暗反應(yīng)相互聯(lián)系而又彼此制約，C3消耗減少，最終C3來(lái)源與去路趨于相等，C3將維持在一個(gè)含量相對(duì)較低的新的平衡狀態(tài)，而不會(huì)持續(xù)下降。

甘肅省禮縣第一中學(xué)）