巧用生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次 提高二輪復(fù)習(xí)效率
——以“光合作用和呼吸作用的關(guān)系”為例

楊曉曦 張 勇

(重慶市黔江中學(xué)校)

二輪復(fù)習(xí)的目標(biāo)是在一輪復(fù)習(xí)基礎(chǔ)上實現(xiàn)知識和能力的進階,要求學(xué)生能夠構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò),具備分析和解決問題的能力,從而全面提升核心素養(yǎng)。在教學(xué)中常常忽略生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次在培養(yǎng)結(jié)構(gòu)和功能觀、物質(zhì)和能量觀中的重要作用。以生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次為中心構(gòu)建單元教學(xué),可以全面突破教學(xué)難點“光合作用和呼吸作用的關(guān)系”,在二輪復(fù)習(xí)中指導(dǎo)學(xué)生再次構(gòu)建生命觀念,提升解決實際問題的能力,全面落實核心素養(yǎng)。

1.生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次與“光合作用與呼吸作用關(guān)系”的關(guān)聯(lián)性分析

細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位,也是生命系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)層次。新陳代謝是細(xì)胞中快速有序的化學(xué)反應(yīng),研究新陳代謝常以細(xì)胞為單位進行。多細(xì)胞生物的個體由若干細(xì)胞構(gòu)成,因此新陳代謝是具有生命的個體應(yīng)該具備的基本特征。由若干個體構(gòu)成的種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)在新陳代謝方面具有共性。其中光合作用和呼吸作用是高中階段學(xué)生需要掌握的新陳代謝的典型代表。從微觀到宏觀的各個生命系統(tǒng)通過光合作用和呼吸作用完成物質(zhì)的儲存和分解,能量的積累和釋放,從而驅(qū)動了生命的運轉(zhuǎn)(圖1)。

圖1

2.光合作用和呼吸作用在生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的分析

2.1 細(xì)胞層次考題分析

第一,根據(jù)細(xì)胞的類型可以判斷其是否能夠進行光合作用或者呼吸作用:動物細(xì)胞只能進行呼吸作用;植物的葉肉細(xì)胞可以同時進行光合作用和呼吸作用。

第二,基于細(xì)胞器的層面進行分析:葉綠體吸收的CO2、釋放的O2或合成的有機物都只與光合作用有關(guān),即其變化量都可代表總光合量;線粒體釋放的CO2、吸收的O2或消耗的有機物都只與有氧呼吸作用有關(guān),即其變化量都可代表有氧呼吸量。

第三,基于細(xì)胞的層面進行分析:在同時進行光合作用和有氧呼吸的前提下,一方面細(xì)胞與外界進行氣體交換,另一方面細(xì)胞內(nèi)的葉綠體和線粒體之間進行氣體交換。細(xì)胞從外界吸收或向外界釋放的CO2量受到光合作用和呼吸作用共同影響,是光合作用固定的CO2量與細(xì)胞呼吸產(chǎn)生CO2量的差值,即凈光合量(若呼吸作用大于光合作用,則細(xì)胞向外界釋放CO2)。從有機物的角度來看,細(xì)胞儲存的有機物是葉綠體固定的有機物和線粒體消耗的有機物的差值,也可表示凈光合量。

【例題1】將某種植物放在特定的實驗裝置內(nèi),研究溫度對光合作用與呼吸作用的影響,實驗以該植物葉綠體光合作用吸收的CO2總量與線粒體呼吸作用CO2的釋放量為指標(biāo),實驗結(jié)果如表所示。下列對該植物數(shù)據(jù)表格分析正確的是

( )

溫度(℃)202530354045光照下葉綠體CO2吸收總量(mg/h)1.001.752.503.253.753.50黑暗中CO2釋放量(mg/h)0.500.751.001.502.253.00

A.晝夜不停地光照,溫度為20 ℃時該植物不能生長

B.晝夜不停地光照,溫度為45 ℃時,最有利于有機物的積累

C.每天交替進行12 h光照12 h黑暗,溫度均保持在45 ℃條件下,能正常生長

D.每天交替進行12 h光照12 h黑暗,溫度均保持在35 ℃條件下,能正常生長

【答案】D

【解析】溫度為20 ℃時,光照下葉綠體CO2吸收總量為1.00 mg/h,該值表示真光合速率,黑暗中CO2釋放量表示呼吸速率,真光合速率大于呼吸速率,即凈光合速率大于0,晝夜不停地光照,該植物能夠正常生長,A錯誤;晝夜不停地光照,溫度為 35 ℃時有機物積累最多,B錯誤;每天交替進行 12 h 光照、12 h黑暗,溫度均保持在45 ℃時,該植物的有機物積累量為3.50×12-3.00×24=-30(mg)<0,不能正常生長,C錯誤;每天交替進行12 h光照、12 h黑暗,溫度均保持在35 ℃時,該植物的有機物積累量=3.25×12-1.5×24=3(mg),該植物可以正常生長,D正確。

2.2 個體層次考題分析

細(xì)胞是組成個體的基本單位,細(xì)胞的功能決定了個體的功能。因此,從整體上看植株與環(huán)境的氣體交換關(guān)系時,與細(xì)胞內(nèi)外的氣體交換關(guān)系具有高度相似性:即植株的CO2吸收量或O2釋放量同時受到光合作用和呼吸作用的制約。植株從外界吸收CO2(釋放O2)量=光合作用吸收CO2(釋放O2)量-呼吸作用釋放CO2(吸收O2)量,即凈光合量。

但是從植株來看,不同部位的細(xì)胞光合作用狀態(tài)并不相同,如根細(xì)胞并不進行光合作用。因此組成植株的葉肉細(xì)胞的光合作用強度大于整個植株的光合作用強度。

【例題2】某科研小組測定外界CO2濃度對C3植物和C4植物CO2吸收速率的影響,實驗結(jié)果如圖2所示。該科研小組先將兩種植物各一株共同置于同一密閉容器中,實驗開始時,容器中CO2濃度為圖中C點,其余條件適宜,以下說法正確的是

( )

圖2

A.圖中CO2濃度為B點時候,C3植物的葉肉細(xì)胞光合作用強度等于呼吸作用強度

B.培養(yǎng)過程中先停止生長的是C3植物

C.實驗期間兩株植物正常存活時,容器內(nèi)CO2濃度達(dá)到平衡的濃度為B

D.CO2濃度從B增加到C時,對C4植物的影響大于C3植物

【答案】B

【解析】CO2濃度為B點時,C3植物植株CO2吸收速率為0,整個植株的光合作用強度等于呼吸作用強度,植物中只有部分細(xì)胞能進行光合作用,故葉肉細(xì)胞的光合作用強度大于呼吸作用強度,A錯誤;實驗開始時,兩株植物的光合作用大于呼吸作用,容器中CO2濃度下降,隨著CO2濃度下降至B點時,C3植物植株凈光合作用為0,植株停止生長,而C4植物能繼續(xù)生長,B正確;實驗期間兩株植物正常存活時,兩株植物的CO2平衡點不同,當(dāng)容器中CO2濃度達(dá)到平衡時,應(yīng)是一株植物吸收CO2,一株植物釋放CO2,因此CO2濃度應(yīng)在A和B點之間,此時C3植物釋放CO2速率等于C4植物吸收CO2速率,容器中CO2達(dá)到平衡,C錯誤;CO2濃度從B增加到C的過程中,C3植物吸收CO2速率增加幅度大于C4植物,所以對C3植物的影響大于C4植物,D錯誤。

2.3 種群層次考題分析

種群是由若干個體構(gòu)成,從整體上看某植物種群與環(huán)境CO2和O2的氣體交換關(guān)系時,與植株個體內(nèi)外的氣體交換關(guān)系具有高度相似性:植物種群的CO2吸收量或O2釋放量同時受到光合作用和呼吸作用的制約。該種群從外界吸收CO2(釋放O2)量=光合作用吸收CO2(釋放O2)量-呼吸作用釋放CO2(吸收O2)量,即該種群個體凈光合量總和。從有機物的角度來看,光合作用制造有機物,呼吸作用消耗有機物,即該種群植物的總初級生產(chǎn)量(所有植物總光合量)-該種群植物的有機物消耗量(所有植物呼吸總量)=該種群植物的凈初級生產(chǎn)量(所有植物凈光合量的總量)。

【例題3】如表是某湖泊生態(tài)系統(tǒng)中甲～戊各個種群能量數(shù)值(單位:102kJ·m-2·a-1),且每個種群只處于一個營養(yǎng)級,己為分解者。下列敘述正確的是

( )

項目甲乙丙丁戊己種群儲存的能量66.22.1408.50.81.921.1呼吸作用消耗的能量84.69.7554.31.69.5211.0

A.丙屬于生產(chǎn)者,其總初級生產(chǎn)量為408.5×102kJ·m-2·a-1

B.乙與戊的種間關(guān)系為捕食和競爭

C.第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級能量的傳遞效率約為15.7%

D.若湖泊受到重度污染,可能通過物理沉降、化學(xué)分解等很快消除

【答案】C

【解析】丙含有能量最多,該種群為生產(chǎn)者,該種群的總初級生產(chǎn)量=凈初級生產(chǎn)量(種群儲存的能量)+呼吸作用消耗的總量,即408.5+554.3=962.8×102kJ·m-2·a-1,A錯誤;根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析,乙和戊應(yīng)有競爭關(guān)系,沒有捕食關(guān)系,B錯誤;第一營養(yǎng)級是丙,同化總量是962.8×102kJ·m-2·a-1,第二營養(yǎng)級是甲,同化總量是150.8×102kJ·m-2·a-1,第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的能量傳遞效率為150.8÷962.8≈15.7%,C正確;若湖泊受到重度污染,超過生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力時,則該生態(tài)系統(tǒng)可能崩潰,不能恢復(fù),D錯誤。

2.4 群落層次考題分析

一定區(qū)域內(nèi)所有生物共同構(gòu)成群落。該群落CO2或O2的氣體交換量受到該群落所有生物的氣體交換量的影響,即群落吸收CO2(釋放O2)量=所有植物光合作用吸收CO2(釋放O2)量-所有生物呼吸作用釋放CO2(吸收O2)量。

【例題4】某生物科研小組,從鴨綠江的某一深度取得一桶水樣,分裝于六對黑白瓶中,剩余的水樣測得初始溶解氧的含量為10 mg/L,白瓶為透明玻璃瓶,黑瓶為黑布罩住的玻璃瓶。將它們分別置于六種不同的光照條件下,溫度保持不變,24小時后,實測獲得六對黑白瓶中溶解氧的含量,請根據(jù)其記錄數(shù)據(jù)(如表)判斷下列選項中正確的是

( )

光照強度/klx0(黑暗)abcde白瓶溶氧量/(mg·L-1)31016243030黑瓶溶氧量/(mg·L-1)333333

A.黑瓶中的只有植物呼吸消耗氧氣,但沒有光照,植物不能進行光合作用產(chǎn)生氧

B.光照強度為a時,白瓶中溶解氧的含量與初始溶解氧量相等,說明此光照強度下植物仍然不能進行光合作用

C.當(dāng)光照強度為c時,白瓶中植物產(chǎn)生的氧氣量為21 mg/(L·24 h)

D.當(dāng)光照強度為d時,白瓶中植物的凈光合速率為20 mg/(L·24 h)

【答案】C

【解析】鴨綠江的江水中除了有植物還有浮游動物和微生物,所以黑瓶中進行呼吸作用的不只是植物,A錯誤;光照強度為a時,白瓶中溶解氧的含量與初始溶氧量相等,說明植物光合作用產(chǎn)生的氧剛好用于所有生物的呼吸作用消耗,B錯誤;當(dāng)光照強度為c時,白瓶中植物光合作用產(chǎn)生的氧氣量即為總光合作用量=所有植物釋放的O2量+所有生物呼吸作用消耗量的O2=(24-10)+(10-3)=21[mg/(L·24 h)],C正確;白瓶溶氧量=植物光合作用產(chǎn)生O2量-所有生物呼吸吸收O2量,當(dāng)光照強度為d時,白瓶中凈光合速率是大于20 mg/(L·24 h),D錯誤。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)層次考題分析

流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生產(chǎn)者通過光合作用等固定的太陽能,每個營養(yǎng)級的生物的能量一部分通過呼吸作用以熱能的形式散失;無機環(huán)境中的碳元素主要通過光合作用等進入生物群落,生物群落的碳元素主要通過呼吸作用回到無機環(huán)境。因此光合作用和呼吸作用與生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)密切相關(guān)。一個生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者通過光合作用等合成的有機物中含有的能量就是流經(jīng)這個生態(tài)系統(tǒng)的總能量。

【例題5】在生態(tài)系統(tǒng)中,植物所固定的太陽能或所制造的有機物質(zhì)稱為初級生產(chǎn)量,其中一部分用于自身的呼吸消耗,余下部分稱為凈初級生產(chǎn)量。如表為4個生態(tài)系統(tǒng)的研究實例。

類別玉米地荒地湖泊Ⅰ湖泊Ⅱ太陽能利用率(初級生產(chǎn)量/入射太陽能)1.6%1.2%0.4%0.1%呼吸消耗率(呼吸消耗/初級生產(chǎn)量)23.4%15.1%22.3%21.0%凈初級生產(chǎn)效率(凈初級生產(chǎn)量/初級生產(chǎn)量)76.6%84.9%77.7%79.0%

下列有關(guān)敘述錯誤的是

( )

A.與玉米地相比,荒地的太陽能利用率低,凈初級生產(chǎn)效率也低

B.若入射太陽能相同,上述4個生態(tài)系統(tǒng)中,制造有機物質(zhì)最多的是玉米地

C.兩個湖泊中植物的呼吸消耗率與玉米地的大致相等,但明顯高于荒地

D.兩個湖泊的太陽能利用率低,與太陽光穿過水層時損失了部分能量有關(guān)

【答案】A

【解析】玉米地的太陽能利用率高于荒地,而玉米地的凈初級生產(chǎn)效率卻低于荒地,A錯誤;若入射太陽能相同,上述4個生態(tài)系統(tǒng)制造有機物最多的是玉米地,因為玉米地的太陽能利用率最高,B正確;由實驗數(shù)據(jù)可知,兩個湖泊中植物的呼吸消耗率與玉米地的大致相等,但明顯高于荒地,C正確;兩個湖泊中有很多的水生植物,而這些植物接受的太陽能需要穿過水層,據(jù)此可推知兩個湖泊的太陽能利用率,與太陽光穿過水層時損失了部分能量有關(guān),D正確。

【例題6】圖3是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)某年的碳循環(huán)示意圖(括號內(nèi)數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)移量,單位109t C/年,未加括號數(shù)據(jù)為庫存量,單位109t C/年),根據(jù)相關(guān)信息,下列說法正確的是

( )

圖3

A.碳主要通過消費者和分解者的呼吸作用從生物群落轉(zhuǎn)移到非生物環(huán)境中

B.在不考慮人類活動的作用時,我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量等于排放量

C.若考慮人類活動的作用,陸地生態(tài)系統(tǒng)每年向大氣凈排放的碳量為0.62×109t C/年

D.當(dāng)群落演替到穩(wěn)定的森林階段時,生產(chǎn)者有機物積累量可能低于演替過程中的原因是生產(chǎn)者的光合作用強度降低

【答案】C

【解析】通過呼吸作用將碳從生物群落轉(zhuǎn)移到非生物環(huán)境中的成分包括生產(chǎn)者、消費者和分解者,A錯誤;在不考慮人類活動時,不需計算人口呼吸、秸稈燃燒、化石燃燒和水泥的作用,此時我國的陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量為4.26×109t C/年,碳排放量為2.04+1.85+0.08=3.97×109t C/年,小于吸收量,B錯誤;考慮人類活動時,我國陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣的凈碳排放量為2.04+0.08+1.85+0.18+0.73-4.26=0.62×109t C/年,C正確;當(dāng)群落演替到穩(wěn)定的森林階段時,生產(chǎn)者擁有很高的光合作用強度,但是由于生產(chǎn)者數(shù)量多,呼吸作用強,可能導(dǎo)致凈光合值低,積累有機物少,D錯誤。

3.總結(jié)

從微觀的生命系統(tǒng)(細(xì)胞)到宏觀的生命系統(tǒng)(生態(tài)系統(tǒng)),逐層對“光合作用和呼吸作用的關(guān)系”進行分析,在細(xì)胞水平和個體水平進行分析時基于高中生物學(xué)必修1中的光合作用和呼吸作用的教學(xué)內(nèi)容,對種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)的分析結(jié)合了高中生物學(xué)選擇性必修2的內(nèi)容。這種分析思路能夠幫助學(xué)生基于“光合作用和呼吸作用的關(guān)系”構(gòu)建知識框架,從物質(zhì)與能量的角度理解“光合作用與呼吸作用的關(guān)系”,實現(xiàn)對該知識理解的進階,解決問題能力的提高。