且談對生態系統中能量流動認知的幾個誤區

周俊

摘要：生態系統的能流分析屬于高考考查重點和學生學習難點，針對師生中普遍存在的困惑及相關的幾個典型認知誤區，進行了闡述和辨析，對教與學都有一定的指導意義。

關鍵詞：能量流動傳遞效率同化效率等價換算

中圖分類號：Q－49文獻標識碼：E

生態系統的能量流動是生態系統的重要功能之一，是高中教材生態學部分的核心內容，屬于高考考查的重點，也是學生學習的難點，倍受命題者青睞。然而在對能量流動的概念、過程及特點的理解等問題上，廣大師生普遍反映比較困惑，存在不少認知偏差甚至命題上的失當。結合多年的教學研究，就其中幾個典型認知誤區進行闡述，希望對教與學都能有所幫助。

1、誤區之一：把攝入的總能量當成該營養級同化的總能量

簡析：要理清它們之間的關系，必須對食物鏈中各環節能量流動的來龍去脈進行仔細的梳理和深刻的分析。首先，要了解某營養級生物(消費者)糞便所含物質的來源。糞便一般是人或動物的食物殘渣排泄物。食物殘渣在大腸內，其中一部分水分和電解質等被大腸黏膜吸收，經過細菌的發酵和腐敗作用，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胞、黏膜碎片和大量細菌，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。對照同化作用的概念，不難發現，這其中來自于食物而未被消化吸收部分的能量，并沒有被這一級消費者所同化，實質上還屬于上一營養級流向分解者的一個能量分支，而不是本級消費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者所同化，當然也就不能看成是該營養級同化的總能量。

同時提醒，糞便中還有少部分能量不是來自于食物殘渣，如前面提到的消化道脫落的上皮細胞等排泄物中的能量，因此，不能統一地把糞便中的能量就全部歸于上一營養級的生物。關于它們之間的關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，以便學生理解。

2、誤區之二：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％轉移到兔子體內?！睂Υ祟}干中存在的錯誤，許多學生視而不見，只重視了“10％～20％"區間范圍，而忽視了對“10％～20％”本身含義的理解和它的適用范圍。

簡析：能量傳遞效率又叫做林德曼效率，是指n＋1營養級所獲得的能量占n營養級獲得能量之比或相鄰營養級間的同化能量之比。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＝被動物消化吸收的能量／動物攝食的能量。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養級，還因食物性質或類型不同而有明顯的差異，通常肉食動物的同化效率要高于植食動物。同化效率這個概念中學階段并不重要，關鍵是要對題干所陳述的內容進行認真審核，去比對能量傳遞效率概念，謹防將“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概念，是這一部分最普遍的問題，有時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)長期以來已很少有人去質疑此類命題或解題的科學性，只注重對“至少”的理解要用“最大”傳遞效率去解決問題，殊不知這其實還是個同化效率的問題，試想一下，若從答案順推，此題不就相當于“昆蟲消耗(攝食)125 g植物，昆蟲可以增重25 g，然后______”，難道被昆蟲已經攝入的這125 g植物要同化為昆蟲的物質也該按傳遞效率計算?

3、誤區之三：把能量與物質等價換算

簡析：物質作為能量的載體，兩者相互依存，彼此之間肯定存在一定對應關系，折算相當復雜。食物中的能量主要蘊含在干物質中，干物質中約有90％左右是有機物質，特別是三大養分都是能量之源，而糖類、脂類和蛋白質類能量值又分別不同。因此，在分析相同質量的不同性質的食物所蘊含的能量時，除了要考慮水和無機鹽等的含量外，還要考慮食物中有機營養物質種類及其含量，這直接關系到能量的高低。決不能簡單的把物質質量與能量等價換算。也就是說，相同質量不同性質的食物中的能量其實是不等值的，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。由于動物性食物中蛋白質、脂質等含量相對較高，所以一般來說，動物類食物中的能量要比相同質量的植物類食物中的能量高?？梢哉f這也是導致了各營養級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者這類題型，把不同營養級生物的物質與能量等價粗略換算，顯然有些勉強，似乎是為了計算而去設計計算題，使得許多教師也默認了這一解題套路，同樣陷入了這一思維誤區。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……”，建議即使要進行此類意向性命題，也宜改成如下表達形式：“某生物的全部同化量，1／2來自……”

4、誤區之4：呼吸作用過程中釋放的能量全部以熱能形式散失了

《中學生物教學》2011年第3期中，張德超老師在“精析‘生態系統的能量流動”一文中這樣寫道：每個營養級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境中，這部分能量是無法再重新被利用的。筆者認為這種表述不妥，至少是不夠嚴謹的，值得商榷。

簡析：流入下一營養級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，但不能因此就誤認為呼吸作用釋放的能量就全部轉化為熱，能了或經過其他中間途徑最終也都轉化為熱能散失了。也有不少學生根據教材插圖(如：人教版普通高中標準教材必修三第94頁圖5～6)中兩個分開的箭頭而斷章取義，把“呼吸作用散失”與“用于生長、發育和繁殖等生命活動”看成兩個完全相互獨立的分支。之所以會出現以上兩種誤讀，主要源于對呼吸作用的實質和意義等理解不透徹以及對代謝過程中能量的釋放、轉移和利用等過程不熟悉造成的。在生物體內，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左右的能量轉移儲存在ATP中(38個ATP)，其余的能量都以熱能的形式散失了。當ATP水解時，儲存的能量就釋放出來，用于生物體的各項生命活動，如細胞的分裂植株的生長礦質元素的吸收肌肉的收縮神經沖動的傳導等。另外，呼吸過程能為體內其他化合物的合成提供原料。在呼吸過程中所產生的一些中間產物，可以成為合成體內一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解時的中間產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”。

能量流動這一知識塊作為高中生物的重難點，教師必須對該處教材要認真研讀、探討甚至質疑，在彼此的思維碰撞中加深對知識的理解，切忌斷章取義、以偏概全。在創設情境進行命題立意的同時，應當注意它的導向性，不能舍本逐末，更不能忽視知識本身的科學性和嚴謹性。