且談對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)認(rèn)知的幾個(gè)誤區(qū)

周俊

摘要：生態(tài)系統(tǒng)的能流分析屬于高考考查重點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)難點(diǎn)，針對(duì)師生中普遍存在的困惑及相關(guān)的幾個(gè)典型認(rèn)知誤區(qū)，進(jìn)行了闡述和辨析，對(duì)教與學(xué)都有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：能量流動(dòng)傳遞效率同化效率等價(jià)換算

中圖分類號(hào)：Q－49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，是高中教材生態(tài)學(xué)部分的核心內(nèi)容，屬于高考考查的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，倍受命題者青睞。然而在對(duì)能量流動(dòng)的概念、過程及特點(diǎn)的理解等問題上，廣大師生普遍反映比較困惑，存在不少認(rèn)知偏差甚至命題上的失當(dāng)。結(jié)合多年的教學(xué)研究，就其中幾個(gè)典型認(rèn)知誤區(qū)進(jìn)行闡述，希望對(duì)教與學(xué)都能有所幫助。

1、誤區(qū)之一：把攝入的總能量當(dāng)成該營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的總能量

簡(jiǎn)析：要理清它們之間的關(guān)系，必須對(duì)食物鏈中各環(huán)節(jié)能量流動(dòng)的來龍去脈進(jìn)行仔細(xì)的梳理和深刻的分析。首先，要了解某營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物(消費(fèi)者)糞便所含物質(zhì)的來源。糞便一般是人或動(dòng)物的食物殘?jiān)判刮铩Ｊ澄餁堅(jiān)诖竽c內(nèi)，其中一部分水分和電解質(zhì)等被大腸黏膜吸收，經(jīng)過細(xì)菌的發(fā)酵和腐敗作用，即變成糞便排出體外。糞便含有食物中不消化的纖維素，消化道脫落的上皮細(xì)胞、黏膜碎片和大量細(xì)菌，還有未被吸收的消化道分泌物，如黏液、膽色素、黏蛋白和消化液等。對(duì)照同化作用的概念，不難發(fā)現(xiàn)，這其中來自于食物而未被消化吸收部分的能量，并沒有被這一級(jí)消費(fèi)者所同化，實(shí)質(zhì)上還屬于上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)流向分解者的一個(gè)能量分支，而不是本級(jí)消費(fèi)者流向分解者的能量。可見攝入的總能量并沒有全部被該消費(fèi)者所同化，當(dāng)然也就不能看成是該營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的總能量。

同時(shí)提醒，糞便中還有少部分能量不是來自于食物殘?jiān)缜懊嫣岬降南烂撀涞纳掀ぜ?xì)胞等排泄物中的能量，因此，不能統(tǒng)一地把糞便中的能量就全部歸于上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物。關(guān)于它們之間的關(guān)系大致可以這樣來概括：攝食的能量=同化的能量+糞便中的部分能量，以便學(xué)生理解。

2、誤區(qū)之二：把同化效率等同于能量傳遞效率

有這樣一道判斷題：“一只兔子吃了10kg草，這些草中的能量只有10％～20％轉(zhuǎn)移到兔子體內(nèi)。”對(duì)此題干中存在的錯(cuò)誤，許多學(xué)生視而不見，只重視了“10％～20％"區(qū)間范圍，而忽視了對(duì)“10％～20％”本身含義的理解和它的適用范圍。

簡(jiǎn)析：能量傳遞效率又叫做林德曼效率，是指n＋1營(yíng)養(yǎng)級(jí)所獲得的能量占n營(yíng)養(yǎng)級(jí)獲得能量之比或相鄰營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的同化能量之比。而同化效率指植物吸收的日光能中被光合作用所固定的能量比例，或被動(dòng)物攝食的能量中被同化了的能量比例。同化效率＝被植物固定的能量，植物吸收的日光能或＝被動(dòng)物消化吸收的能量／動(dòng)物攝食的能量。顯然，此判斷題所涉及到的概念是后者。同化效率的高低不僅取決于該生物所處的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，還因食物性質(zhì)或類型不同而有明顯的差異，通常肉食動(dòng)物的同化效率要高于植食動(dòng)物。同化效率這個(gè)概念中學(xué)階段并不重要，關(guān)鍵是要對(duì)題干所陳述的內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)真審核，去比對(duì)能量傳遞效率概念，謹(jǐn)防將“10％～20％”張冠李戴，到處濫用。

混淆同化效率和能量傳遞效率這兩個(gè)概念，是這一部分最普遍的問題，有時(shí)甚至反映在命題方面的失誤，如“在植物一昆蟲一蛙一蛇這條食物鏈中，若蛇增加1 g體重，至少要消耗植物多少g?(參考答案：125 g)長(zhǎng)期以來已很少有人去質(zhì)疑此類命題或解題的科學(xué)性，只注重對(duì)“至少”的理解要用“最大”傳遞效率去解決問題，殊不知這其實(shí)還是個(gè)同化效率的問題，試想一下，若從答案順推，此題不就相當(dāng)于“昆蟲消耗(攝食)125 g植物，昆蟲可以增重25 g，然后______”，難道被昆蟲已經(jīng)攝入的這125 g植物要同化為昆蟲的物質(zhì)也該按傳遞效率計(jì)算?

3、誤區(qū)之三：把能量與物質(zhì)等價(jià)換算

簡(jiǎn)析：物質(zhì)作為能量的載體，兩者相互依存，彼此之間肯定存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，折算相當(dāng)復(fù)雜。食物中的能量主要蘊(yùn)含在干物質(zhì)中，干物質(zhì)中約有90％左右是有機(jī)物質(zhì)，特別是三大養(yǎng)分都是能量之源，而糖類、脂類和蛋白質(zhì)類能量值又分別不同。因此，在分析相同質(zhì)量的不同性質(zhì)的食物所蘊(yùn)含的能量時(shí)，除了要考慮水和無機(jī)鹽等的含量外，還要考慮食物中有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)種類及其含量，這直接關(guān)系到能量的高低。決不能簡(jiǎn)單的把物質(zhì)質(zhì)量與能量等價(jià)換算。也就是說，相同質(zhì)量不同性質(zhì)的食物中的能量其實(shí)是不等值的，125 g植物是25 g昆蟲重量的5倍，但能量決不是后者的5倍。由于動(dòng)物性食物中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等含量相對(duì)較高，所以一般來說，動(dòng)物類食物中的能量要比相同質(zhì)量的植物類食物中的能量高。可以說這也是導(dǎo)致了各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物同化效率不同的主要原因之一。逆推至少需要消耗多少重量的生產(chǎn)者這類題型，把不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的物質(zhì)與能量等價(jià)粗略換算，顯然有些勉強(qiáng)，似乎是為了計(jì)算而去設(shè)計(jì)計(jì)算題，使得許多教師也默認(rèn)了這一解題套路，同樣陷入了這一思維誤區(qū)。又如另一種變化題型，命題模式是：“某生物的食物，1／2來自…，1／4來自…，1／4來自…，那么它每增加1 kg體重……”，建議即使要進(jìn)行此類意向性命題，也宜改成如下表達(dá)形式：“某生物的全部同化量，1／2來自……”

4、誤區(qū)之4：呼吸作用過程中釋放的能量全部以熱能形式散失了

《中學(xué)生物教學(xué)》2011年第3期中，張德超老師在“精析‘生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)”一文中這樣寫道：每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物自身呼吸消耗及流向分解者的能量都以熱能的形式散失到環(huán)境中，這部分能量是無法再重新被利用的。筆者認(rèn)為這種表述不妥，至少是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模档蒙倘丁?/p>

簡(jiǎn)析：流入下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量中有一部分通過呼吸作用以熱能形式散失了，這是毋庸置疑的，但不能因此就誤認(rèn)為呼吸作用釋放的能量就全部轉(zhuǎn)化為熱，能了或經(jīng)過其他中間途徑最終也都轉(zhuǎn)化為熱能散失了。也有不少學(xué)生根據(jù)教材插圖(如：人教版普通高中標(biāo)準(zhǔn)教材必修三第94頁(yè)圖5～6)中兩個(gè)分開的箭頭而斷章取義，把“呼吸作用散失”與“用于生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等生命活動(dòng)”看成兩個(gè)完全相互獨(dú)立的分支。之所以會(huì)出現(xiàn)以上兩種誤讀，主要源于對(duì)呼吸作用的實(shí)質(zhì)和意義等理解不透徹以及對(duì)代謝過程中能量的釋放、轉(zhuǎn)移和利用等過程不熟悉造成的。在生物體內(nèi)，1 mol的葡萄糖在徹底氧化分解以后，共釋放出2870kJ的能量，其中有977 kJ左右的能量轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存在ATP中(38個(gè)ATP)，其余的能量都以熱能的形式散失了。當(dāng)ATP水解時(shí)，儲(chǔ)存的能量就釋放出來，用于生物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)，如細(xì)胞的分裂植株的生長(zhǎng)礦質(zhì)元素的吸收肌肉的收縮神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)等。另外，呼吸過程能為體內(nèi)其他化合物的合成提供原料。在呼吸過程中所產(chǎn)生的一些中間產(chǎn)物，可以成為合成體內(nèi)一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解時(shí)的中間產(chǎn)物丙酮酸是合成氨基酸的原料。因此，不能把教材中提到的“一部分在××者的呼吸作用中以熱能的形式散失了”錯(cuò)誤理解成“呼吸作用過程中釋放的能量全部以熱能形式散失了”。

能量流動(dòng)這一知識(shí)塊作為高中生物的重難點(diǎn)，教師必須對(duì)該處教材要認(rèn)真研讀、探討甚至質(zhì)疑，在彼此的思維碰撞中加深對(duì)知識(shí)的理解，切忌斷章取義、以偏概全。在創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行命題立意的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意它的導(dǎo)向性，不能舍本逐末，更不能忽視知識(shí)本身的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。