高中生物學學習中的能量觀點

摘 要 以能量的觀點來認識生命現象和揭示生命的本質，是引導學生正確理解生物學原理的一種方法。從能量的變化的視角來揭示生命的一般規律，旨在為學生的學習尋求新的途徑。

關鍵詞 高中生物學學習 能量觀點

中圖分類號Q-49

文獻標識碼E

能量的觀點是指在高中生物學教學中，指導學生從能量的視角來詮釋生命活動現象，進而揭示生命活動的規律。

1 根據物質跨膜運輸是否消耗能量，判斷物質的轉運方式

能量用于生命活動時表現為原有能量減少的現象稱為能量的消耗。對細胞膜的物質運輸而言，其跨膜運輸的方式有2種：被動轉運和主動轉運。而被動轉運又分為自由擴散和易化擴散。二氧化碳、氧氣和甘油等物質出入細胞的方式為自由擴散；葡萄糖等物質通過紅細胞膜屬于易化擴散。無論是自由擴散還是易化擴散都不需要消耗細胞代謝所釋放的能量。一些無機鹽離子、氨基酸、葡萄糖等物質通過小腸上皮細胞屬于主動轉運，而主動轉運是消耗能量的。因此可以說，根據物質通過細胞膜是否消耗了能量，便可以判斷物質跨膜運輸的方式：即消耗了能量的跨膜運動就是主動轉運，未消耗能量的跨膜運動是被動轉運（胞吞和胞吐雖消耗能量，但并非是跨膜轉運）。

2 根據捕食食物鏈中的能量傳遞效率，判斷l條食物鏈中營養級的數量

食物鏈和食物網是生態系統的營養結構。在生態系統中由于動物取食的多元性，使得食物鏈彼此相互交錯，形成了復雜的食物網。食物網客觀、真實地反映了各營養級的生物之間的捕食關系。由于生物之間的捕食與被捕食的關系必然會造成生物體內能量的變化。生態系統的十分之一定律指出，在一條食物鏈相鄰的兩個營養級中，由上一個營養級傳遞給下一個營養級的能量大約是在1/10-1/5之間，而大部分的能量被上一個營養級的生物所消耗，因此伴隨著營養級數量的遞增，實際可利用的能量越來越少，當到第五營養級時，該營養級獲得的能量大約是0.01～0.16林德曼單位，而這些能量則不足以維持這個營養級的生物進行生長、發育、繁殖等生命活動的需要了。因此通常說，在一條食物鏈中其營養級的數量一般不會超過5個。即便是有達到或超過5個營養級的，那是因為在生態系統中單純的食物鏈是不存在的，由于動物取食的多元性，取食關系往往呈現網狀結構，從甲條食物鏈上看達到了5個，但從乙條食物鏈：看它的營養級可能是2或3，因此綜合起來看，傳遞下來的能量還是能滿足這個營養級的生物進行生命活動需要的。3根據能量過剩原理。可知生物在生態位重疊時也能生存

從種內關系上看，既有種內互助，也有種內斗爭。同種生物個體之所以進行斗爭，歸根到底與能量有直接關系。人們通常所說的“一山不能存兩虎”，就是因為能量不足而導致的種內斗爭。

在種間關系方面，依然存在互助與競爭.當兩個物種利用同一資源時就會造成生態位重疊。在兩個物種的生態位完全重疊時，競爭優勢較大的物種就會將競爭優勢較小的物種完全排除掉，在生態學上叫做競爭排除原理。生態位重疊的完全排除原理指出，只有當兩個物種的生態位完全重疊時，才會造成一種生物被另一種生物完全排除掉。如果在食物（能量）及空間富裕的情況下，它們之間仍然可以實現“和諧相處”，例如蜜蜂的采蜜，這就是說，生態位重疊本身不一定伴隨著競爭，只有當資源（能量）短缺時才會發生競爭。4根據生物內能轉化原理，判斷生化反應類型

能量的釋放、貯藏和利用稱為生物的能量代謝。從物質代謝角度看，能量代謝側重分解代謝，但細胞內的生化反應是極其復雜的，往往合成代謝中存在分解代謝，而分解代謝中也包含合成代謝。細胞中進行的一系列的生物化學反應中，有些反應是吸能反應，有些則是放能反應。

細胞中許多吸能反應需要的能量來自細胞中的放能反應。所有細胞中最重要的放能反應是糖的氧化。糖的徹底氧化是分步驟進行的。這種糖的氧化通常稱為細胞呼吸。細胞呼吸是生物體細胞中最重要的放能反應。

細胞之所以會發生吸能反應，是因為光合產物分子中的勢能比反應物分子中的勢能高。比如由氨基酸合成蛋白質的反應就是吸能反應。吸能反應所需要的能量來自放能反應。光合作用是綠色植物細胞中最重要的吸能反應。反應物（二氧化碳和水）含有的勢能低，而產物（主要是糖）則含有較高的勢能。由此可以判斷，反應物的勢能高生成物的勢能低，是放能反應。反應物的勢能低生成物的勢能高，屬于吸能反應。聯系吸能反應和放能反應的橋梁是高能化合物——ATP。還可以根據能量變化來進一步判斷生物化學反應的類型，一般來說，吸能反應是在進行合成代謝，如果是放能反應，一般可以判斷為分解代謝。 5 根據能量轉換原理。判斷生命活動類型

5.1 “電能一化學能一電能”轉換模式

神經元之間的聯系有2種形式：化學突觸和電突觸。其中化學突觸比較普遍。在光學顯微鏡下觀察，可見一個神經元的軸突末梢經過多次分支，最后每一個小枝的末端膨大呈現球狀或杯狀，叫做突觸小體。這些突觸小體可以與多個神經元的細胞體、樹突（有時也可以是軸突）相連，形成突觸。在電子顯微鏡下觀察可以看到突觸是由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜三部分構成。突觸小體內靠近前膜處含有大量的突觸小泡，小泡內含有化學遞質。當興奮通過軸突傳導到突觸小體時，突觸小體內的突觸小泡就將化學遞質釋放到突觸間隙中，使得另一個神經元興奮或抑制。這樣興奮就從一個神經元通過突觸而傳遞給另一個神經元了。在上述的神經元之間的傳導過程中，實際上也發生著能量的轉換。首先由電能轉換成為化學能，然后再由化學能轉換為電能。

5.2“Lfig→電能→活躍的化學能→穩定的化學能”轉換模式

在葉綠體的類囊體上分布著2種色素：一類具有吸收和傳遞功能的作用，它們大多數是葉綠素a和葉綠素b，胡蘿卜素和葉黃素；另一類是少數處于特殊狀態的葉綠素a，這部分葉綠素a還有將光能轉化為電能的本領。在光照射下，那些能吸收和傳遞光能的色素，將吸收的光能傳遞給少數處于特殊狀態的葉綠素a，使這些葉綠素a被激發而失去電子。脫離葉綠素a的電子經過一系列的傳遞，最后傳遞給一種帶正電荷的有機物——NADP+。失去電子的葉綠素a變成了一種強氧化劑，能夠從水分子中奪得電子，使水分子氧化生成氧分子和氫離子，葉綠素a由于獲得了電子而恢復了穩態。這種在光能的不斷照射下，少數葉綠素a連續不斷地失去電子和獲得電子，而形成了電子流，使光能轉換成為電能。隨著上述過程的進行，NADP⁺得到2個電子和一個氫離子，就形成了NADPH：

NADP⁺+2e+H⁺→NADPH。

與此同時，葉綠體利用光能轉換成為另一部分電能又將ADP和Pi轉化成ATP，這樣電能就轉換成為活躍的化學能，貯存在NADPH和ATP中了。

在碳反應中，CO²被固定后形成一些三碳化合物，在酶的作用下，接受NADPH和ATP釋放的化學能，并被NADPH還原，再經過一系列復雜的變化，最后形成糖等富含穩定化學能的有機物，即活躍的化學能就轉換成了穩定的化學能并貯存在糖類等有機物中。

綜合上述，可通過能量轉換的狀況，推知是什么樣的生理過程。如上述“5.2模式”的能量轉換可判定是植物的“光合作用”。如果再變換一下能量轉換狀況，把“光能→電能→活躍的化學能→穩定的化學能”轉變成“光能→電能→活躍的化學能→穩定的化學能→活躍的化學能”模式，那就是光合作用和細胞呼吸的偶聯作用模式了。