化學(xué)原理在高中生物學(xué)教學(xué)中的地位和作用

梁愈

化學(xué)原理在高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)中具有奠基的作用，當代生命科學(xué)之所以取得了較快的發(fā)展，在一定意義上是借助了化學(xué)原理和化學(xué)方法。20世紀以來生物學(xué)與化學(xué)的關(guān)系越來越密切，兩個學(xué)科難解難分，呈現(xiàn)出相互促進的發(fā)展態(tài)勢。下面僅以理科綜合教學(xué)的事實為線索，闡述化學(xué)原理在高中生物學(xué)學(xué)習(xí)中的地位和作用。

1 以同位素標記法揭示生命活動規(guī)律

1.1 證明DNA分子的復(fù)制方式

DNA是生物的主要遺傳物質(zhì)，它之所以能在生物的親代和子代之間保持相對的穩(wěn)定性和連續(xù)性，與它能夠進行自我復(fù)制有關(guān)。DNA分子的自我復(fù)制方式是半保留復(fù)制，即新形成的DNA分子中有一條鏈是原來的。而DNA分子的復(fù)制方式是通過對氮的同位素標記得以證明的。

1.2 證明生物膜在結(jié)構(gòu)和功能上的有機聯(lián)系

自然界中的H有3種同位素，即氕、氘和氚，氕和氘是穩(wěn)定的同位素，而氚具有放射性，能夠發(fā)射負β射線。科學(xué)家在研究分泌蛋白的合成與分泌時，曾經(jīng)做過這樣一個實驗：在豚鼠的胰臟腺泡細胞中注射3H標記的亮氨酸，3 min后，被標記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核酸體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，在17 min后出現(xiàn)在高爾基體中，117 min后出現(xiàn)在靠近細胞膜內(nèi)側(cè)的運輸?shù)鞍椎男∨荩约搬尫诺郊毎獾姆置谖镏小＿@個實驗證明了細胞內(nèi)的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。

1.3 證明光合作用釋放的氧氣來源

自然界中的O元素也有三種同位素，即16O、17O、18O。魯賓和卡門用18O分別標記H2O和CO2，通過質(zhì)譜儀測定代謝物的質(zhì)量后進行了分析，從而證明了光合作用釋放的氧全部來自水。當然這個實驗只是最初的結(jié)果。伴隨著實驗的持續(xù)，最后的結(jié)果應(yīng)當是釋放出的氧氣，既來自H2O，也來自CO2，因為水是可以反復(fù)被利用的，光合作用和呼吸作用是密切相連的。

2 通過化學(xué)反應(yīng)原理為生命起源提供生物化學(xué)進化上的證據(jù)

雖然目前人們對地球上最早的生命究竟是怎樣起源的還沒有弄清楚，但根據(jù)生物學(xué)的基本規(guī)律來推測，生命從簡單到復(fù)雜、從低級到高級的發(fā)展趨勢是確定無疑的。就是說在生命起源之前必定存在一個化學(xué)進化的階段，最后才會演變?yōu)樵忌?/p>

生成了氨基酸就可能生成蛋白質(zhì)，也就有可能生成核酸。英國生物化學(xué)家桑格從1945年起開始研究肽鏈上氨基酸的排列順序，然后研究了一種簡單的蛋白質(zhì)——牛胰島素的結(jié)構(gòu)，于1955年確定了牛胰島素的結(jié)構(gòu)，從而為胰島素在實驗室合成奠定了基礎(chǔ)，并促進了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究。桑格因確定胰島素的分子結(jié)構(gòu)而獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎。

弄清楚了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，就有希望合成蛋白質(zhì)。世界上首先合成的蛋白質(zhì)是只有8個氨基酸的催產(chǎn)素。我國科學(xué)工作者從1958年開始研究胰島素的合成，大體經(jīng)歷3個步驟，終于1965年在世界上首次人工合成了結(jié)晶牛胰島素。

20世紀60年代后桑格的工作轉(zhuǎn)向核酸方面的研究，致力于對核糖核酸和脫氧核糖核酸結(jié)構(gòu)的分析研究。他利用酶的生物活性，用生物學(xué)的處理方法，正確地確定了核糖核酸中每種堿基的排列順序和脫氧核糖核酸中核苷酸的排列順序。他還發(fā)展了脫氧核糖核酸的精確快速分析法。他用此法于1977年成功地測定了細菌病毒ФХ174脫氧核糖核酸分子的全部共5 386個核苷酸的排列順序。桑格因設(shè)計出一種測定DNA內(nèi)核苷酸排列順序的方法而與W.吉爾伯特、P.伯格共獲1980年諾貝爾化學(xué)獎。

萊文是美國生物化學(xué)家，1911年發(fā)現(xiàn)了兩種不同類型的核酸：一種是核糖核酸，即RNA；另一種是脫氧核糖核酸，即DNA。后來知道這兩種核酸除了所含的核糖不同以外，所含的有機堿基也不同。1934年萊文發(fā)現(xiàn)了核酸由四種核苷酸組成，每一個核苷酸由一個核糖（或脫氧核糖）、一個磷酸和一個有機堿基組成。他認為核苷酸的區(qū)別除了五碳糖以外，主要是堿基的區(qū)別。組成DNA的四種核苷酸的堿基是：腺嘌呤，簡稱A；胸腺嘧啶，簡稱T；胞嘧啶，簡稱C；鳥嘌呤，簡稱G。在RNA中，尿嘧啶取代了胸腺嘧啶，尿嘧啶的簡稱是U。萊文雖然發(fā)現(xiàn)了核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但沒有確定四種核苷酸以什么樣的形式組成核酸分子。

3 以原子結(jié)構(gòu)理論闡釋復(fù)雜生命現(xiàn)象

3.1 衰老現(xiàn)象的闡釋

對于人為什么會衰老，雖然到現(xiàn)在還沒有找到最終的答案，但自由基理論給了一個比較滿意的回答。自由基理論認為，當自由基產(chǎn)生以后，攻擊和破壞細胞內(nèi)執(zhí)行正常功能的生物分子。在嚴重的情況下自由基在攻擊生物膜的磷脂分子時，就可以產(chǎn)生同樣的自由基。這些新產(chǎn)生的自由基又會去攻擊其他分子，由此引起雪崩式的反應(yīng)，對生物膜損傷很大。此外自由基還攻擊DNA分子，可能引起基因突變；另外自由基還攻擊蛋白質(zhì)，致使蛋白質(zhì)分子的活性下降，使細胞衰老。

那么自由基是怎樣產(chǎn)生的呢，這要用化學(xué)理論來解釋。人們通常把異常活潑的帶電分子或基團稱為自由基。在自由基中含有未配對的電子，因此表現(xiàn)出高度的活潑性。自由基產(chǎn)生的途徑主要是：細胞在代謝過程中不斷進行各種氧化反應(yīng)，在氧化反應(yīng)過程中很容易產(chǎn)生自由基；另外輻射及有害物質(zhì)的入侵也能刺激細胞，產(chǎn)生自由基，比如水在電離輻射下便會產(chǎn)生自由基。因此可以用自由基理論來解釋生命的衰老，而自由基的理論支撐是原子結(jié)構(gòu)理論。

3.2 光反應(yīng)機制的闡釋

光反應(yīng)主要包括2個過程，即水的光解和光合磷酸化。解釋水在光下可以分解也有賴于原子結(jié)構(gòu)理論。葉綠體的類囊體上的色素有兩類：一類具有吸收和傳遞光能的作用，即大多數(shù)的葉綠素a、全部的葉綠素b、胡蘿卜素和葉黃素；另一類是少數(shù)處于特殊狀態(tài)的葉綠素a，這種葉綠素a一方面能吸收光能，另一方面能夠轉(zhuǎn)換光能。在光的照射下有吸收和傳遞光能的色素將吸收的光能傳遞給少數(shù)處于特殊狀態(tài)的葉綠素a，使得這些葉綠素a被激發(fā)而失去電子。脫離葉綠素a的電子經(jīng)過一系列的傳遞，最后傳遞給一種帶有正電荷的有機物——NADP+（氧化型輔酶Ⅱ）。失去電子的葉綠素a轉(zhuǎn)變成為一種強氧化劑，它可以從水中奪取電子，這樣就迫使水分子氧化分解，生成氧分子和氫離子，這葉綠素a由于獲得了電子而恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。這樣，在光的作用下，少數(shù)處于特殊狀態(tài)的葉綠素a，持續(xù)地丟失電子和獲得電子，從而形成了電子流，使光能轉(zhuǎn)化成電能。

4 通過化學(xué)反應(yīng)方程式的計算定量某物質(zhì)的存在

比如計算在酵母菌發(fā)酵過程中某物質(zhì)的量。

【例題】 “在啤酒生產(chǎn)過程中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)。生產(chǎn)過程大致如下：將經(jīng)過滅菌的麥芽汁充氧，接入啤酒酵母菌菌種后輸入發(fā)酵罐。初期酵母菌迅速繁殖，糖度下降，產(chǎn)生白色泡沫，溶解氧逐漸耗盡。隨后酵母菌繁殖速度迅速下降，糖度加速降低，酒精濃度漸漸上升，泡沫不斷增多。當糖度下降到一定程度后結(jié)束發(fā)酵。最后分別輸出有形物質(zhì)和鮮啤酒。根據(jù)上述過程回答以下問題：

（1） 該過程表明啤酒酵母菌異化作用的特點是________。

（2） 初期酵母菌迅速繁殖的主要方式是________。

（3） 經(jīng)測定酵母菌消耗的糖中，98.5%形成了酒精和其他發(fā)酵產(chǎn)物，其余1.5%則用于________。

（4） 請寫出由麥芽糖→葡萄糖→酒精的反應(yīng)方程式。

（5） 如果酵母菌消耗的糖（設(shè)麥芽糖其分子量為342），有98.5%（質(zhì)量分數(shù)）形成酒精（分子量為46.0）和其他發(fā)酵產(chǎn)物。設(shè)500 t麥芽汁，其中麥芽糖的質(zhì)量分數(shù)為8.00%，發(fā)酵后最多能生產(chǎn)酒精濃度為3.20%（質(zhì)量分數(shù)）的啤酒多少噸？

這是2001年理科綜合（全國卷）的一道高考試題，該題目與化學(xué)知識的聯(lián)系密切，這里至少包含兩個化學(xué)知識點：（1） 化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫；（2） 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式來進行計算。

參考答案：

（1） 酵母菌的異化作用類型是既可以進行有氧呼吸也可以進行無氧呼吸，在氧氣充足的情況下可以進行有氧呼吸，氧氣不足時可以進行無氧呼吸

（2） 在氧氣充足的情況下，酵母菌代謝能力增強，大量繁殖，而繁殖的主要方式是出芽生殖

（3） 1.5%的葡萄糖還要用于自身的代謝，即生長發(fā)育和繁殖

（4） C12H22O11+H2O→2C6H12O6 C6H12O6→2C2H5OH+2CO2

（5） 662（t）