例析高中生物中的“結(jié)構(gòu)與功能觀”

唐慶圓

摘 要 從生命系統(tǒng)的多個(gè)層次對(duì)“結(jié)構(gòu)與功能觀”這一基本生命觀念進(jìn)行了篩選、挖掘和整合，力圖幫助學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)生物及其發(fā)展規(guī)律，建立系統(tǒng)的生物學(xué)知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞 高中生物 結(jié)構(gòu)與功能 例析

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號(hào)： 1003 - 7586（2016）06 - 0003 - 02

生命觀念是科學(xué)世界觀在生命科學(xué)中的體現(xiàn)，其中“結(jié)構(gòu)與功能觀”是現(xiàn)代生命科學(xué)的基本觀點(diǎn)，其內(nèi)涵是一定的結(jié)構(gòu)必然有與之相對(duì)應(yīng)的功能存在，且任何功能都需要一定的結(jié)構(gòu)來(lái)完成。無(wú)論分子、細(xì)胞，還是個(gè)體、生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)成生命體的各個(gè)層次無(wú)不體現(xiàn)出“結(jié)構(gòu)與功能”的統(tǒng)一性。篩選、挖掘和整合這一觀點(diǎn)的實(shí)例，對(duì)學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)生命及其發(fā)展規(guī)律，建立系統(tǒng)完整的生物學(xué)知識(shí)體系有很大幫助。

1 元素——以碳元素為例

碳元素是構(gòu)成細(xì)胞的最基本元素，其在干重中含量達(dá)到55.99%。碳元素是構(gòu)成物質(zhì)種類最多的一種元素，生命的基本單元氨基酸、核苷酸都以碳元素為骨架。可以說(shuō)，沒(méi)有碳元素，就沒(méi)有生命。究其原因，碳元素在元素周期表中屬第ⅣA族第一個(gè)元素，它的核外電子排布最外層是4個(gè)電子，在化學(xué)反應(yīng)中既不容易失去電子，也不容易得到電子，難以形成離子鍵，易于形成較為穩(wěn)定的共價(jià)鍵。它能構(gòu)成多種不同的結(jié)構(gòu)，形成碳鏈后結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出對(duì)稱性，因此，構(gòu)成的多聚體結(jié)構(gòu)多種多樣。

2 分子——以ATP為例

細(xì)胞的生命活動(dòng)為什么都以ATP作為能量“通貨”呢？首先，ATP分子很不穩(wěn)定，遠(yuǎn)離腺苷（A）的高能磷酸鍵容易斷開，形成ADP（二磷酸腺苷）和游離Pi（磷酸），同時(shí)釋放出能量；其次，ATP是一種高能磷酸化合物，其每摩爾ATP水解可釋放能量30.5kJ；第三，ATP和ADP可以實(shí)現(xiàn)快速相互轉(zhuǎn)化。因此，ATP能夠及時(shí)而持續(xù)的滿足細(xì)胞對(duì)能量的需求，成為良好的能量代謝中介。

3 細(xì)胞器——以線粒體為例

線粒體是細(xì)胞的“能量工廠”，其特有的結(jié)構(gòu)使其能夠供應(yīng)細(xì)胞內(nèi)95%的能量。線粒體是由雙層膜圍成的封閉囊狀結(jié)構(gòu)。外膜有孔蛋白構(gòu)成的親水通道，1KD以下的分子可自由通過(guò)，因此，糖酵解生成的丙酮酸（90D）能夠自由通過(guò)外膜進(jìn)入線粒體，并被主動(dòng)運(yùn)輸穿過(guò)線粒體內(nèi)膜到達(dá)線粒體基質(zhì)，與輔酶A生成乙酰輔酶A。乙酰輔酶A一旦生成，就會(huì)進(jìn)入三羧酸循環(huán)。內(nèi)膜是有氧呼吸中ATP合成的主要場(chǎng)所，其向內(nèi)折疊形成嵴，擴(kuò)大了化學(xué)反應(yīng)的面積；膜上存在著大型酶復(fù)合體（NADH-泛醌還原酶、泛醌-細(xì)胞色素C還原酶、細(xì)胞色素C氧化酶），能夠利用能量將質(zhì)子逆濃度梯度泵入內(nèi)外膜間。當(dāng)質(zhì)子被泵入膜間后，質(zhì)子就會(huì)有順濃度梯度擴(kuò)散的趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)子通過(guò)復(fù)合體從膜間回到基質(zhì)的時(shí)候，ATP酶復(fù)合體可以將ADP和磷酸合成ATP。

4 細(xì)胞——以神經(jīng)元為例

神經(jīng)元是構(gòu)成多細(xì)胞動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的基本單位，它是動(dòng)物體信息傳遞和處理的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。神經(jīng)元細(xì)胞膜上有三種重要的載體蛋白：Na+通道、K+通道和Na+-K+離子泵。靜息狀態(tài)下，K+通道打開、Na+通道關(guān)閉，形成了“內(nèi)負(fù)外正”的靜息電位；受到刺激的興奮部位，Na+通道打開、K+通道關(guān)閉，形成了“內(nèi)正外負(fù)”的動(dòng)作電位；當(dāng)興奮部位和未興奮部位之間有了電位差，就產(chǎn)生了局部電流，局部電流刺激著相近的未興奮部位發(fā)生動(dòng)作電位，興奮就沿著神經(jīng)纖維向前傳導(dǎo)。與此同時(shí)，K+、Na+通過(guò)鈉-鉀離子泵完成主動(dòng)運(yùn)輸，使膜內(nèi)外的K+、Na+濃度重新恢復(fù)到靜息狀態(tài)，從而維持了細(xì)胞正常的興奮性。

5 個(gè)體——以人體為例

人類作為陸生、站立行走的哺乳動(dòng)物，四肢肌肉約占全身肌肉重量的80%，其中下肢約50%，上肢約30%。下肢肌肉較粗壯，與其支持人體體重的功能相適應(yīng)，如粗壯的臀大肌、小腿三頭肌；上肢肌肉細(xì)小，與上肢適宜做靈巧、精細(xì)的動(dòng)作相適應(yīng)，如前臂肌中除了有伸肌、屈肌，還有回旋肌。

此外，人的心臟為兩心房?jī)尚氖摇７渴彝耆指舻男呐K，其肺循環(huán)和體循環(huán)完全分開。這樣，動(dòng)靜脈血不再相混，體循環(huán)大動(dòng)脈中全是含氧多的鮮血，各種組織細(xì)胞可得到更多的氧，大大提高了血液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用效率，使代謝水平提高，適應(yīng)環(huán)境的能力大為增強(qiáng)。

6 群落——以園林植物群落為例

群落是同一時(shí)間內(nèi)聚集在一定區(qū)域中各種生物種群的集合，群落結(jié)構(gòu)和群落生態(tài)效應(yīng)息息相關(guān)。以上海松江區(qū)公園中的兩塊園林綠地為樣本，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在群落降溫、增濕、增加負(fù)離子濃度3個(gè)生態(tài)效應(yīng)中，生態(tài)效益總體水平較高的群落是D6，較低的是D4。從表1可以看出：D6的群落內(nèi)植物種數(shù)多，喬木層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可以有效阻擋太陽(yáng)輻射并減少水分的蒸發(fā)，起到很好的降溫增濕效果，整體生態(tài)功能較高。

7 生態(tài)系統(tǒng)——以“石油農(nóng)業(yè)”為例

生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)主要結(jié)構(gòu)和功能單位，屬于生態(tài)學(xué)研究的最高層次。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存的食物來(lái)源，其物種組成簡(jiǎn)單，營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)單一，因此抵抗自然災(zāi)害、外來(lái)物種入侵和其他干擾的能力低下。人們?yōu)榱颂岣咿r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，“石油農(nóng)業(yè)”孕育而生。然而結(jié)果是，相當(dāng)一部分農(nóng)藥和化肥不能被作物充分利用，而通過(guò)各種途徑對(duì)土壤、水體和食物造成污染。新興的生態(tài)經(jīng)濟(jì)要對(duì)“石油農(nóng)業(yè)”進(jìn)行改革，就應(yīng)遵循生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能相統(tǒng)一的規(guī)律，增加農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物種種類，優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化，降低對(duì)環(huán)境的污染，如“桑基魚塘”模式。

以上實(shí)例僅例析了“結(jié)構(gòu)與功能觀”在生命體不同層次的體現(xiàn)，實(shí)際上“結(jié)構(gòu)與功能觀”在高中生物教材中還有許許多多的體現(xiàn)。在備課及教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)以“結(jié)構(gòu)與功能觀”等生命觀點(diǎn)為指導(dǎo)，挖掘教材，理清各章節(jié)、各模塊之間的聯(lián)系，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。只有教師自身對(duì)知識(shí)、觀點(diǎn)的理解上升了，才有利于在課堂上引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)正確的生命觀，在構(gòu)建學(xué)生知識(shí)體系的基礎(chǔ)上提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱正威，趙占良.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書生物（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2015：1-130.

[2] 任衍鋼，樊廣岳.ATP研究歷程[J].生物學(xué)通報(bào)，2010，45（12）：56-58.

[3] 任衍鋼.鈉鉀泵是怎么發(fā)現(xiàn)的[J].生物學(xué)通報(bào)，2011，46（3）：60-62.

[4] 周美娟，段相林.人體組織學(xué)與解剖學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004：79-86.

[5] 衣官平，卓麗環(huán)，汪成忠，等.園林植物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)功能分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)科學(xué)版），2009，3：248-252.

[6] 朱正威，趙占良.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書生物（選修3）[M].北京：人民教育出版社，2013：107-114.