以“小球藻”為載體，構建高三專題復習設計

曹燕波+丁婷

摘 要 以小球藻為線索，從不同的視角選擇了與小球藻相關的素材，將高中生物學的相關核心知識串聯起來，展開專題復習，提升學生綜合運用知識的能力，完成知識網絡的建構，提高復習的效率。

關鍵詞 小球藻 核心知識 專題復習

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 小球藻的背景介紹

小球藻為綠藻門小球藻屬單細胞綠藻，是一種高效的光合植物，分布廣泛，易于培養，繁殖迅速，是地球上動植物中唯一能在20 h增長4倍的植物。此外，小球藻還能去除廢水中的營養物，實現廢水的資源化。自1890年荷蘭微生物學家拜靈克發現小球藻以來，它就成為十分活躍的模式生物。美國科學家卡爾文就曾利用小球藻進行實驗，發現了“卡爾文循環”，因此獲得了諾貝爾獎。

高中生物學的許多核心知識都可涉及小球藻。筆者在高三二輪復習過程中，嘗試從不同的視角選擇與小球藻相關的素材串聯成復習專題，從而提升學生綜合運用知識的能力，促進學生完成知識網絡的建構，提高學生解決相關生物學問題的興趣與能力，取得了良好的復習效果。

2 小球藻與細胞結構

小球藻是單細胞、能進行光合作用的植物。與原核細胞相比，它有真核細胞的特征；與動物細胞及酵母菌相比，又具有植物細胞的特征，因此在細胞結構方面的考題都可以它為線索。

可以設計以下問題：

① 與藍藻相比小球藻在細胞結構上的區別有哪些？

② 與酵母菌相比，小球藻在細胞結構上的區別有哪些？

③ 小球藻因為有線粒體和葉綠體兩種細胞器，所以具有什么生理功能？它的新陳代謝類型又是什么？

3 小球藻在細胞代謝中的應用

3.1 小球藻與光合作用

20世紀50年代，卡爾文及其同事利用小球藻的光合作用，發現了“卡爾文循環”。他因此獲得了1961年諾貝爾化學獎。

教師可以設計以下問題：

① 利用同位素標記法，追蹤碳元素和氧元素的轉移途徑。

② 通過改變實驗條件（比如光照強度，CO2濃度）來探究卡爾文循環中C3和C5的含量變化。

③ 通過改變實驗條件，探究影響光合作用的環境因素有哪些。

3.2 小球藻與光合作用、呼吸作用

光合作用利用CO2和H2O合成了有機物并且產生O2，而有氧呼吸卻是在有O2條件下徹底氧化分解有機物生成CO2和H2O。

教師可以設計以下問題：

① 利用水體中放置的黑白瓶，通過測定瓶內溶解氧的多少來探討光合作用和呼吸作用的強弱問題。

② 通過測定光照條件下密閉容器內小球藻吸收CO2的量以及黑暗環境中釋放CO2的量，來辨明實際光合作用與凈光合作用的關系。

【例1】 將某小球藻放在特定的實驗裝置內，研究溫度對光合作用與呼吸作用的影響（其余的實驗條件都是理想的），實驗以CO2的吸收量與釋放量為指標。實驗結果如表1所示。

（1） 晝夜不停地光照，溫度在35℃時小球藻能否生長繁殖？晝夜不停地光照，該小球藻生長繁殖的最適宜溫度是多少度？

（2） 每天交替進行12 h光照、12 h黑暗，溫度均保持在30℃的條件下，該小球藻能否生長繁殖？為什么？

（3） 根據表中數據，繪出光合作用吸收CO2量與溫度之間關系的曲線。

（4） 寫出小球藻有氧呼吸反應式。

3.3 小球藻與激素調節

小球藻中的雨生紅球藻是天然蝦青素含量較高的物種之一。蝦青素是一種類胡蘿卜素，色澤鮮紅，因其具有良好的抗氧化能力和著色作用而受到廣泛關注。科研人員研究發現植物激素對于小球藻的生長有著重要的影響。

【例2】 為了培養雨生紅球藻以獲得蝦青素，科研人員研究了A、B兩種植物生長調節劑對單位體積藻液雨生紅球藻細胞數、干物質質量、蝦青素含量的影響，結果見表2。請回答下列問題：

（1） B的濃度從0.1 mg/L提高到0.5 mg/L時，雨生紅球藻單位干物質中蝦青素含量的變化是

。

（2） 兩種生長調節劑中，與細胞分裂素生理功能更相似的是 。

（3） 在本實驗基礎上，請設計實驗探究A、B的協同作用對雨生紅球藻增產蝦青素的影響，該實驗需設置 組實驗，選用A、B時首先應考慮的濃度分別為 。

4 小球藻在種群和群落水平中的應用

4.1 小球藻與種群數量

小球藻是單細胞植物，營養價值極高，可以用液體培養基進行培養而大量獲得。教師可以利用種群數量變化的相關知識來建構小球藻的種群增長模型，

可以設計以下問題：

① 設計實驗，探究培養液中的小球藻種群的數量是怎樣隨時間變化的。

② 實驗過程中，如何對小球藻進行計數？該實驗過程是否需要設置對照？是否需要重復實驗？怎樣記錄實驗結果？小球藻數量過多計數不清，怎樣處理？對于壓在小方格界線上的小球藻，該怎樣計數？

③ 設計實驗，探究溫度、光照強度、培養液濃度等條件對小球藻種群數量變化的影響。

④ 培養液中小球藻隨時間變化達到環境容納量即K值，影響其種群數量繼續增大的因素有哪些？若要提高K值，可采取哪些措施？

4.2 小球藻與種間關系

小球藻為綠色植物，在生態系統中屬于生產者，可與其他生物形成捕食、競爭、互利共生等多種種間關系。

【例3】 在1～3號3個三角瓶中分別加入某種培養液，把瓶口封閉后在高溫下滅菌處理。冷卻后，1號瓶內放入某種小球藻，瓶內的小球藻個體數變化如圖1所示。2號瓶內同時放入浮游動物與小球藻，兩者個體數目變化如圖2所示。3號瓶內同時放入等量的細菌和小球藻，兩者個體數目變化如圖3。以上實驗是在25℃、光照充足條件下進行的。回答下列各問題：

（1） 請將圖1的個體數量變化曲線轉換成種群中個體數量增長率變化曲線。

（2） 由圖1可知，瓶內小球藻在第1天至第3天的生長特點是 ；在第3天至第6天的生長特點是 ，原因是 。

（3） 由圖2可知，小球藻與浮游動物的關系屬于 。

（4） 根據圖3，試分析細菌與小球藻兩者個體數能得以不斷增加的原因 。

5 小球藻在生物工程中的應用

5.1 小球藻與固定化技術

固定化細胞技術是用于獲得細胞的酶和代謝產物的一種方法，起源于20世紀70年代，是在固定化酶的基礎上發展起來的新技術。與固定化酶相比，固定化細胞制備的成本更低，操作簡單，可以催化一系列的生化反應。

固定化小球藻技術采用褐藻酸鈣凝膠包埋固定普通小球藻。科學研究表明，與懸浮狀態下的小球藻相比，固定化小球藻對人工配置的污水中氨氮、正磷酸鹽及重金屬汞的凈化效率要高許多。教師可以此實例為主線復習固定化細胞技術的原理和實驗操作。

【例4】 為了探索海藻酸鈉固定化對綠球藻生長的影響，以及固定化藻對含Zn2+污水的凈化作用，科研人員用篩選到的一株綠球藻進行試驗，流程及結果如圖4、圖5所示。請回答下列問題： （1） 實驗中的海藻酸鈉作用是 ，CaCl2的作用是 。

（2） 為洗去凝膠球上殘余的CaCl2和其他污染物，并保持綠球藻活性，宜采用 洗滌。圖4中用質量分數為1.0%的海藻酸鈉溶液培養24 h后，移去凝膠球，溶液呈綠色，原因是 。

（3） 為探索固定化藻對含Zn2+污水的凈化作用，應選用質量分數為 的海藻酸鈉溶液制備凝膠球。

（4） 圖5中空白凝膠球組Zn2+濃度下降的原因是 。結合圖4和圖5分析，固定化藻的實驗組24～48 h間Zn2+濃度下降速度較快的主要原因是 72～96 h間Zn2+濃度下降速度較慢的原因有 。

5.2 小球藻與污水處理

用小球藻處理廢水，不僅能有效去除廢水中的N、P等營養物質，還能超負荷吸收重金屬汞，降解農藥、烷烴、酚類等多種有機物。將富含養分的無毒廢水進行資源化處理，處理水可用于農田灌溉和工業化生產，達到了用水高效而經濟的目的。教師可以以此實例為主線復習生態工程的相關原理。

5.3 小球藻與清潔能源

在能源危機、強調保護環境的當今社會，生物能源作為一種新興的清潔能源，是我國目前需要重點發展的非化石能源之一。研究發現小球藻的單位面積油產量是油料作物的十幾倍，且不與人類爭糧、爭地、爭水，如果善加利用，極有可能在短時間內成為我國的重要能源物質，目前小球藻在作為生物柴油原料方面引起廣泛的重視。

5.4 小球藻與基因工程

轉基因小球藻是一種新型生物反應器。由于小球藻富含人和動物所必需的氨基酸、維生素、磷、鈣、鐵等營養成分，被認為是極有營養價值的保健食品。由于它繁殖速度快，以它為載體生產轉基因藥物，可以簡化下游工藝，尤其是粗制品可制成口服制劑，既免去了分離提純的繁瑣工藝，又可以達到治療和保健的雙重功效，這是傳統的大腸桿菌生物反應器所不能及的。

我國科學家已經成功地將兔防御素的基因導入橢圓小球藻中，獲得了穩定表達的轉基因藻株，并從中分離提取到了具有抑菌活力的防御素，在國際上首次將NP-1基因在小球藻中表達成功。以小球藻為線索，教師可以此實例為主線復習基因工程的基本工具和基本操作程序。

總之，在高三二輪復習中以小球藻為載體，精心選制典型例題，進行細胞結構、細胞代謝及調節、種群、群落、生態、基因工程等專題的復習，可引導學生完成知識網絡的建構，提升他們綜合運用知識的能力，提高復習的有效性。