破解細(xì)胞代謝七種疑難問題

遼寧 魏鳳國 上海 嚴(yán)黎煒

光合作用和細(xì)胞呼吸是高中生物學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，高考中常考的試題類型中，常涉及以下七種典型，下面分別示例并點(diǎn)撥。

1.巧用概念圖 解細(xì)胞呼吸曲線歸因問題

例題：酵母菌的細(xì)胞呼吸類型隨氧氣濃度的變化而變化，其CO2釋放總量隨O2濃度變化的曲線分析是難點(diǎn)。其數(shù)學(xué)模型如圖1所示：

圖1

由圖1中曲線可知，隨O2濃度的增加，有氧呼吸在增強(qiáng)，無氧呼吸在減弱，那么OA段，CO2釋放總量下降的原因是什么？AD段CO2釋放總量增加的原因是什么？

分析：曲線OA段，O2濃度增加，同時發(fā)生無氧呼吸減弱和有氧呼吸加強(qiáng)這兩種變化，而無氧呼吸減弱使CO2釋放量下降，有氧呼吸增強(qiáng)使CO2釋放量增加。因此學(xué)生往往不知道用什么語言才能簡練而又準(zhǔn)確地概括出來。

解析：曲線OA段，用概念圖的形式來表達(dá)自變量與因變量的關(guān)系更加直觀，可作如圖2所示概念圖：

圖2

根據(jù)以上概念圖，曲線OA段隨O2濃度增大，CO2釋放總量下降顯然是由無氧呼吸減弱導(dǎo)致的，因?yàn)橛醒鹾粑鰪?qiáng)只能是使CO2釋放總量增加，無氧呼吸減弱才是使CO2釋放總量下降的主要矛盾，而決定事物發(fā)展方向的是主要矛盾。因此，OA段CO2釋放總量下降的原因是隨O2濃度增大，無氧呼吸減弱。同理，曲線AD段CO2釋放總量增加的原因是隨O2濃度增大，有氧呼吸增強(qiáng)。

點(diǎn)撥：當(dāng)單一因子變化對兩個生理過程起相反作用時，可在單一因子、生理過程和因變量之間構(gòu)建概念圖，根據(jù)概念圖即可回答隨單一因子變化，與因變量呈正相關(guān)的生理過程。

2.吃透物理概念 處理平均呼吸速率誤區(qū)

例題：某研究小組用如圖3所示裝置測量萌發(fā)的小麥種子的呼吸速率，測量時每隔5 min將注射器活塞向下移動，待有色液滴回到實(shí)驗(yàn)開始時的位置停止，根據(jù)活塞移動的距離可測出氣體的變化量，結(jié)果如表所示：

圖3

分析數(shù)據(jù)可知，該段時間小麥種子的有氧呼吸速率為________。

錯因分析：根據(jù)表中數(shù)據(jù)，學(xué)生容易計(jì)算每5分鐘的有氧呼吸速率，然后再將計(jì)算所得數(shù)據(jù)取平均值作為這段時間小麥種子的有氧呼吸速率。

解析：根據(jù)物理學(xué)中平均速率的含義，平均速率等于通過一段位移除以通過這段位移用的總時間。因此有氧呼吸速率=5.5 mL/25 min=0.22 mL/min。

點(diǎn)撥：當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)取樣間隔相同時間，有不同的變化量時，實(shí)驗(yàn)過程中的不同時間段會有不同的速率，若求整個實(shí)驗(yàn)過程的平均速率，應(yīng)借助物理學(xué)中對平均速率的定義進(jìn)行計(jì)算，而不是不同時間不同速率的平均值。

3.簡化模型 解決光合作用過程中條件驟變時的物質(zhì)變化

例題：在光照、CO2濃度和溫度等都適宜的條件下，某綠色植物葉肉細(xì)胞內(nèi)的NADPH、ATP、C3與C5等的相對含量較為穩(wěn)定。若降低CO2濃度，則該植物葉肉細(xì)胞內(nèi)NADPH、ATP、C3與C5短時間內(nèi)的變化趨勢為________。

錯因分析：學(xué)生認(rèn)為降低CO2濃度，導(dǎo)致C5生成C3減少，C3減少后被NADPH還原減少，導(dǎo)致C5生成減少，因此，C3減少，C5不變，C3減少，消耗的NADPH和ATP減少，NADPH和ATP的剩余量增加。故作出NADPH和ATP增加、C3減少、C5不變的錯誤判斷。

解析：關(guān)于改變外界條件，判斷葉肉細(xì)胞內(nèi)NADPH、ATP、C3與C5含量的變化趨勢時，可作一個光合作用暗反應(yīng)的簡化概念模型，如圖4所示：

圖4

根據(jù)簡易概念圖可知，降低CO2濃度，對稱軸右側(cè)是引起這些物質(zhì)變化的主要矛盾?？烧J(rèn)為右側(cè)減慢，而左側(cè)不變，故C3減少，C5增加。減少的C3消耗的NADPH和ATP減少，NADPH和ATP的剩余量增加。

點(diǎn)撥：解此題的關(guān)鍵是構(gòu)建簡化的暗反應(yīng)概念模型，將C3和C5用對稱軸平分，分析某因素變化后影響對稱軸的一側(cè)即可，短時間內(nèi)另一側(cè)假定不變。

4.半葉法實(shí)際光合速率的測定

例題：某研究小組利用半葉法測定實(shí)際光合速率，將葉片均勻分為兩半，一半光照2 h后烘干稱重為a g，另一半在黑暗處2 h后烘干稱重為b g。如圖5所示，則該葉片的實(shí)際光合速率為________。

圖5

錯因分析：這類題學(xué)生常容易忽略葉片的原始重量，誤認(rèn)為光照下的干重是2 h光合作用的增加量，即凈光合速率為a/2，黑暗下的干重是2 h細(xì)胞呼吸消耗的減少量，即呼吸速率為b/2。因此實(shí)際光合速率為a/2+b/2。

解析：由于原始干重未知，所以凈光合速率不為a/2，呼吸速率不為b/2。可設(shè)原始干重為x g。則凈光合速率=(a-x)/2，呼吸速率=(x-b)/2。實(shí)際光合速率=凈光合速率+呼吸速率。則有凈光合速率+呼吸速率=(a-x)/2+(x-b)/2=(a-b)/2。

點(diǎn)撥：呼吸速率和凈光合速率都可在一段時間內(nèi)測定有機(jī)物的變化量，再通過計(jì)算獲得。當(dāng)原始物質(zhì)量未知時，可設(shè)一個未知數(shù)，最后再設(shè)法將未知數(shù)消去。

5.光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)移動問題

例題：如圖6為某植物在一定溫度下光合作用強(qiáng)度隨光照強(qiáng)度的變化關(guān)系。若適當(dāng)升高溫度使光合作用強(qiáng)度和呼吸作用強(qiáng)度都增加，且升高溫度對光合作用的影響小于對呼吸作用的影響(假設(shè)CO2濃度不變，原光照強(qiáng)度不變)，則適當(dāng)升溫后，理論上b點(diǎn)，c點(diǎn)移動方向應(yīng)該是________。

圖6

錯因分析：圖6中顯示植物CO2吸收速率隨光照強(qiáng)度的變化關(guān)系，當(dāng)自變量與因變量一對一時，分析起來還相對容易。當(dāng)分析多種因素影響時，則容易作出錯誤的判斷。

解析：根據(jù)補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)的含義，光照強(qiáng)度為b時，該植物的實(shí)際光合速率=呼吸速率，即凈光合速率=0。當(dāng)升高溫度使呼吸速率增加幅度大于實(shí)際光合速率增加幅度時，只有增大光照強(qiáng)度才能使得實(shí)際光合速率增加后等于呼吸速率。而增加溫度使暗反應(yīng)速率增加，也必然促進(jìn)光反應(yīng)增加，使光反應(yīng)所需要的光照強(qiáng)度增大。因此，b點(diǎn)右移，c點(diǎn)右移。

點(diǎn)撥：由上分析可得出結(jié)論：補(bǔ)償點(diǎn)與凈光合速率呈負(fù)相關(guān)，飽和點(diǎn)與實(shí)際光合速率呈正相關(guān)。遇到此類問題時，利用規(guī)律可直接作出準(zhǔn)確的判斷。

6.多變量下CO2吸收速率隨時間變化的問題

例題：如圖7為一晝夜某植物CO2吸收速率的變化曲線，若a點(diǎn)與b點(diǎn)時的溫度相等，則a點(diǎn)時的光照強(qiáng)度________(填“大于”“小于”或“等于”)b點(diǎn)時的光照強(qiáng)度。

圖7

錯因分析：由于a、b兩點(diǎn)的CO2吸收速率均為0，則a點(diǎn)的實(shí)際光合速率=a點(diǎn)呼吸速率，b點(diǎn)的實(shí)際光合速率=b點(diǎn)的呼吸速率。一般認(rèn)為呼吸速率受溫度影響，a、b兩點(diǎn)溫度相等，則認(rèn)為a、b兩點(diǎn)的呼吸速率相等，推測a、b兩點(diǎn)的實(shí)際光合速率相等，而作出a點(diǎn)的光照強(qiáng)度等于b點(diǎn)光照強(qiáng)度的錯誤判斷。

解析：根據(jù)曲線可知，a點(diǎn)實(shí)際光合速率=a點(diǎn)呼吸速率，b點(diǎn)實(shí)際光合速率=b點(diǎn)呼吸速率。影響呼吸速率與光合速率變化在一天中是多方面的，除了溫度外，還有氣體條件和光照強(qiáng)度等。雖然a點(diǎn)與b點(diǎn)時的溫度相等，但O2濃度和CO2濃度不同。由于b點(diǎn)時的O2濃度高，CO2濃度低，所以b點(diǎn)時的呼吸速率大于a點(diǎn)，因此a點(diǎn)的實(shí)際光合速率小于b點(diǎn)。而a點(diǎn)的CO2濃度高于b點(diǎn)，溫度又相等，只有光照強(qiáng)度小于b點(diǎn)才能滿足a點(diǎn)的實(shí)際光合速率小于b點(diǎn)這一結(jié)果。因此，a點(diǎn)的光照強(qiáng)度小于b點(diǎn)。

點(diǎn)撥：分析多因素下不同補(bǔ)償點(diǎn)的某一外界條件關(guān)系時，除指定的外界條件外，應(yīng)更加關(guān)注其他因素對不同補(bǔ)償點(diǎn)時相關(guān)代謝的影響，進(jìn)而作出準(zhǔn)確的判斷。

7.密閉容器內(nèi)光合作用和細(xì)胞呼吸綜合題解題策略

例題：如圖8為科研人員測得兩個密閉容器內(nèi)甲、乙兩種盆栽植物在適宜光照和適宜溫度的條件下，容器內(nèi)的CO2濃度隨時間的變化關(guān)系曲線：

圖8

(1)開始一段時間內(nèi)隨CO2濃度下降，該植物的光合速率如何變化？

錯因分析：正常情況下，植物一般隨CO2濃度下降，光合速率下降，因此學(xué)生很容易作出這樣的錯誤判斷。實(shí)際上學(xué)生的知識庫中存在隨CO2濃度變化，植物光合速率變化的曲線模型，只是沒有與這個問題聯(lián)系起來。

解析：畫出隨CO2濃度的變化，植物光合速率變化的曲線模型，如圖9所示：

圖9

根據(jù)這個數(shù)學(xué)模型很容易判斷初始一段時間內(nèi)，若實(shí)驗(yàn)時CO2濃度的起點(diǎn)在Q點(diǎn)右側(cè)，則隨著CO2濃度的下降，光合速率不變；若實(shí)驗(yàn)時CO2濃度的起點(diǎn)在Q點(diǎn)或Q點(diǎn)左側(cè)，則隨著CO2濃度的下降，光合速率減小。

點(diǎn)撥：解答此類問題時，應(yīng)在自己的知識庫中搜索與之相關(guān)的曲線模型，然后將相關(guān)知識遷移到需要解答的問題中來，才能作出準(zhǔn)確的判斷。

(2)在兩曲線相交即B點(diǎn)時，甲乙兩種植物的凈光合速率大小關(guān)系如何？

錯因分析：在曲線相交時，往往直觀判斷，認(rèn)為此時，甲乙兩種植物的凈光合速率相等。

解析：實(shí)際上兩曲線相交時，直接表示為當(dāng)橫坐標(biāo)為某一點(diǎn)時，縱坐標(biāo)相等。即交點(diǎn)B表示此時兩個容器內(nèi)的CO2濃度相等。凈光合速率可以用單位時間內(nèi)CO2吸收量來表示，即單位時間內(nèi)容器內(nèi)CO2濃度的減少量。因此在B點(diǎn)時的斜率即為凈光合速率，顯然B點(diǎn)時乙植物的斜率大于甲植物。因此B點(diǎn)對應(yīng)時刻，乙植物的凈光合速率大于甲植物的凈光合速率。