一道無氧呼吸高考試題引發的思考

王龍

摘要：無氧呼吸包括產物為酒精和乳酸的兩大類型，通過解析2023年全國乙卷相關高考試題，提出并解決了三大核心問題：細胞是否都能切換呼吸方式、植物細胞是否都能進行兩類無氧呼吸以及兩類無氧呼吸在ATP與第二階段產能上是否有差異。

關鍵詞：無氧呼吸；試題分析；呼吸類型；產能差異

文章編號：1003-7586（2024）01-0051-02 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

無氧呼吸是生物在缺氧條件下的關鍵代謝類型，包括產物為酒精和乳酸的兩大類型。近期，2023年全國乙卷理科綜合中的一道試題引起了廣泛關注，觸發了筆者對這兩大類型及其在細胞中應用的深入思考。

試題（2023全國乙卷）植物可通過呼吸代謝途徑的改變來適應缺氧環境。在無氧條件下，某種植物幼苗的根細胞經呼吸作用釋放C02的速率隨時間的變化趨勢如圖所示。下列相關敘述錯誤的是（ ）。

A.在時間a之前，植物根細胞無C02釋放，只進行無氧呼吸產生乳酸

B.a～b時間內植物根細胞存在經無氧呼吸產生酒精和C02的過程

C.每分子葡萄糖經無氧呼吸產生酒精時生成的ATP比產生乳酸時的多

D.植物根細胞無氧呼吸產生的酒精跨膜運輸的過程不需要消耗ATP

答案C

試題分析 當植物進行有氧呼吸或產酒精的無氧呼吸時，都會釋放二氧化碳。從圖示可以看出，在時間a之前，植物根細胞沒有釋放CO₂。結合題意，可以推斷，在時間a之前，植物僅通過無氧呼吸產生乳酸，因此A選項是正確的。植物根細胞在a點沒有CO₂產生，而在b點釋放了大量的CO₂。這表明在a到b的時間段內，植物根細胞通過無氧呼吸產生了酒精和CO₂，這是植物為適應缺氧環境而改變呼吸途徑的體現，因此B選項是正確的。無論是產生酒精的無氧呼吸，還是產生乳酸的無氧呼吸，都只在第一階段釋放少量能量合成ATP，第二階段并不產生ATP。因此，每個葡萄糖分子通過無氧呼吸產生酒精時生成的ATP與產生乳酸時的數量是相同的，C選項是錯誤的。酒精跨膜運輸的方式是自由擴散，這一過程不需要消耗ATP，因此D選項是正確的。綜上所述，正確答案為C。通過對該高考試題的分析，引發筆者以下幾點思考。

1細胞是否都能夠切換呼吸方式

從進化的角度來看，因為早期地球的大氣中缺乏氧氣，原始生命形式最初可能只能進行無氧呼吸。隨著時間的推移，光合作用的出現導致大氣中氧氣濃度的增加，這為有氧呼吸提供了可能。有氧呼吸能夠提供更多的能量，因此，能夠進行有氧呼吸的生物在進化過程中可能具有了競爭優勢。

1.1酵母菌的呼吸方式切換

酵母菌是一種被廣泛研究的微生物模型，其呼吸方式的切換在不同的生長條件下尤為明顯。在有氧條件下，酵母菌傾向于進行有氧呼吸，以最大化能量產出。然而，當氧氣供應受限時，酵母菌可以切換到無氧呼吸。研究發現，在需氧酵母菌種類中，與細胞呼吸相關的基因在啟動子區域編碼相對開放的染色質上，這可能有助于基因的表達。相反，在厭氧酵母菌種類中，這些基因在啟動子區域編碼相對封閉的染色質上，可能限制了其表達。

1.2內生隱球藻的呼吸方式切換

內生隱球藻是一種藍細菌，其具有在不同環境條件下切換呼吸方式的能力，從而影響其能量轉換效率。在有氧條件下，這種藻類通過葡萄糖氧化來產生能量，其ATP的形成效率可以通過測量磷酸化的中間代謝產物和聚葡萄糖來估計。然而，當環境變為缺氧時，內生隱球藻會切換到無氧呼吸，其能量轉換效率與有氧條件下存在差異，這種呼吸方式的切換可能與其代謝途徑的靈活調節有關。

1.3大腸桿菌的呼吸方式切換

大腸桿菌是一種被廣泛研究的細菌模型。在遭遇不同的環境壓力時，大腸桿菌不僅可以調整其代謝途徑，還能夠切換其呼吸方式以適應變化的環境。研究人員通過實驗室適應性進化的方法觀察到，當大腸桿菌處于萘醌驅動的有氧電子傳遞鏈中，它可以靈活地調整其生長速率和對氧化應激的反應。肌肉細胞的這種呼吸方式的切換和代謝適應性為大腸桿菌在多變的環境中生存提供了競爭優勢。

1.4人體肌肉細胞的呼吸方式切換

人體肌肉細胞在進行高強度活動時，如跑步或重量訓練，可能會面臨氧氣供應不足的情況。在這種情況下，肌肉細胞會暫時切換到無氧呼吸，以維持能量供應。肌肉細胞的這種呼吸方式會產生乳酸，這也是人們在劇烈運動后感到肌肉酸痛的原因。這種呼吸模式的切換是人體對能量需求和氧氣供應之間平衡的一種適應。

1.5不可切換呼吸方式的生物

像蛔蟲、破傷風芽孢桿菌和乳酸菌等生物，細胞只能進行無氧呼吸；而像硝化細菌和醋酸桿菌等生物，細胞只能進行有氧呼吸。

由此可見，并非所有生物細胞都有能力切換其呼吸方式，能夠切換呼吸方式的生物可能是為了適應不同的環境條件和能量需求而進化出來的。

2植物體細胞是否都能進行兩類無氧呼吸

植物細胞在代謝途徑上表現出顯著的多樣性，尤其在無氧環境中。傳統觀點認為，如玉米胚和馬鈴薯塊莖細胞在無氧呼吸中主要產生乳酸，而其根部細胞則產生乙醇。這引發疑問：同種植物的不同細胞是否都具備兩類無氧呼吸？考慮到同種植物細胞的遺傳物質一致，它們可能同時攜帶相關的基因。實際上，NCBI數據庫顯示，玉米、馬鈴薯等植物都攜帶這些基因，但基因的存在并不能證明細胞具備兩類無氧呼吸。為驗證上述問題，研究者對玉米幼苗根部、甜櫻桃砧木和紅海欖根系進行水淹脅迫實驗，結果顯示，根部細胞能同時產生乙醇和乳酸。

綜合以上研究結果，可以明確得出結論：在某些植物細胞中，確實具備同時進行兩類無氧呼吸的能力。這種代謝途徑的多樣性為植物在面對不同的環境壓力時提供了顯著的生存和繁衍優勢，特別是在缺氧環境下，具有能夠同時產生乙醇和乳酸的植物細胞的植物更有可能獲得生存和繁衍的機會。

3兩類無氧呼吸在ATP產量和第二階段產能上是否有差異

無氧呼吸是細胞在缺氧條件下進行的一種代謝途徑，它可以分為兩類：產酒精的無氧呼吸和產乳酸的無氧呼吸。這兩類途徑在生化反應和產物上有所不同，但它們都是為了在缺氧環境下為細胞提供能量。

3.1無氧呼吸第一階段的反應方程式

從上述反應方程式可以看出，無論是產酒精的無氧呼吸還是產乳酸的無氧呼吸，每分子葡萄糖的分解都會產生2個ATP分子。由于第二階段釋放的能量不足以產生ATP，這意味著在ATP產量上，兩類無氧呼吸方式是等同的。

3.2產酒精無氧呼吸和產乳酸無氧呼吸第二階段的反應方程式

熱能釋放是與反應的焓變[ΔH]相關的，而每種反應的焓變是不同的，且產物酒精和乳酸中所含能量也不相同。已知，1mol葡萄糖在分解成酒精以后，總放能約225.94kJ，1mol葡萄糖在分解成乳酸以后，總放能約196.65kJ，而兩類無氧呼吸方式第一階段放能相同，第二階段儲存能量不同，因此第二階段有熱能釋放且兩者釋放熱能值不同。

4結論

綜合以上分析，得出結論：無氧呼吸是生物對缺氧環境的關鍵適應策略，多數細胞具備呼吸方式的切換能力，某些植物細胞能同時進行兩類無氧呼吸，兩類無氧呼吸在ATP產量上等同，但在熱能釋放上存在差異。