光合作用之“摩托車”模型的組裝與拆卸

葛海飛

摘 要 將光合作用復雜的反應過程用“摩托車”模型加以模擬，并通過對其組裝與拆卸解決教學中的相關重難點，以此表明“建模”思想和“整體與部分”思想在教學中的巧妙運用。

關鍵詞 光合作用 模型建構 建模思想 整體與部分

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

縱觀浙江省及其他省份多年的生物高考試卷，筆者發現由于光合作用作為細胞代謝的核心知識，故一直備受命題者的青睞，幾乎成了高考的永恒考點。但因該部分知識點多、散、雜，無論是在老師教的過程中還是學生學的過程中都感覺有點手忙腳亂。根據多年的教學經驗，筆者認為可將光合作用的絕大部分內容整合到“摩托車”模型中來，通過對“摩托車”模型的組裝與拆卸進而使教與學達到四兩撥千斤的效果。

1 光合作用模型的組裝與拆卸

1.1 模型的組裝

作為交通工具的摩托車，其物理結構包括把手、車輪、橫梁、鏈條等。

那么結合到光合作用的過程，光反應階段中的水的光解相等于摩托車的把手，光反應階段和碳反應階段分別是摩托車的前輪與后輪，[H]和ATP的合成與分解則構成摩托車的橫梁與鏈條。與摩托車后置動力相反，光合作用則是前輪帶動后輪，前輪吸收光能之后通過鏈條將能量傳輸給后輪。光合作用之“摩托車”模型如圖1所示。

1.2 模型的拆卸

作為一個優秀的摩托車手，不僅要整體上認識摩托車的框架，而且還要弄清其各部分的詳細構造。前輪在類囊體中，其上有色素和光反應階段的酶，可能發生水的光解、ATP和NADPH的合成反應。后輪則在葉綠體基質中，由RuBP、C3酸和C3糖組成，三者依次轉化、往復循環可使后輪轉運，但需要供應原料CO2以及通過鏈條傳送過來的能量和NADPH，后輪轉運可源源不斷地產生C3糖并在葉綠體內外合成不同的有機物。

筆者分析近幾年全國高考生物試卷，發現該考點常以生理現象、生理過程、曲線、圖表、實驗現象等設置考查背景，多以圖文轉換、識圖分析題型考查學生審題能力、分析、解決問題能力及綜合運用所學知識能力，尤其是注重對考生綜合能力的考查。此試題可分為三大模塊：① 考查光合作用的過程；② 考查光合作用的影響因素；③ 考查光合作用與細胞呼吸的關系。以下結合幾道高考試題來說明如何通過模型的組裝與拆卸解答前兩類題型。

2 高考試題中的組裝與拆卸

2.1 光合作用過程的考查

理解光合作用過程是研究光合作用的基礎。近幾年高考理綜生物試題多從分子水平考查對光合作用發生的條件、能量的變化及對整個過程的理解程度。

【例1】 圖2為光能在葉綠體中轉換的示意圖，U、V、W、X、Y代表參與光能轉換的物質。下列選項，錯誤的是（ ）

A. U在光合作用里的作用是吸收和傳遞光能

B. V吸收光能后被激發，使H2O分解產生電子流

C. W為CO2的還原劑，其能量是穩定化學能來源之一

D. U至Y的能量轉換在葉綠體囊狀結構薄膜上進行

解析：本題從分子水平考查學生對光合作用過程的理解以及識圖、析圖能力。解題的關鍵是將該示意圖中與整個“摩托車”模型圖對應起來，并弄清楚圖中各字母的含義及過程分析。

經對比可知，U、V、W、X、Y分別是光合色素（除少數特殊狀態的葉綠素a）、少數特殊狀態的葉綠素a、NADPH、NADP+、有機物。結合教材知識可知，U在光合作用里的作用是吸收和傳遞光能，并傳遞到V后形成電能，電能一部分儲存在NADPH中，另一部分儲存在ATP中，供碳反應合成儲存穩定能量的有機物。其中光能轉化為電能然后轉換為活躍的化學能在光反應過程完成，場所是葉綠體囊狀結構薄膜上，活躍的化學能而后轉化為穩定的化學能則是碳反應過程在葉綠體的基質中完成。

答案：D。

【例2】 為探究低濃度NaHSO3溶液對水稻光合速率的影響，某研究小組做了如下實驗，請完成實驗報告并回答下列問題：研究發現NaHSO3增加了葉片內葉綠體形成ATP的能力，推測其作用部位是葉綠體的 ，進而加快對圖3中 （填字母A～D）物質的利用。

解析：本題同樣也是從分子水平考查光合作用過程及識圖、析圖能力。解題的關鍵是將該示意圖中的字母與“摩托車”模型的后輪拆卸出來，并將其中的物質對應起來即可。

NaHSO3可增加形成ATP的能力，所以該物質作用于光反應階段，作用部位是葉綠體的類囊體。ATP合成加快，促進了碳反應過程，加快了對C3（B）、RuBP（D）、CO2（A）等物質的利用。

答案：類囊體 A、B、D

2.2 光合作用影響因素的考查

對于植物的自然生長，其光合作用必然要受到多種內因和外因的影響。有關對影響因素的考查，最終還要回歸到“摩托車”模型上（圖4）。從該模型圖中不僅可以看到內外因（以外因為主）有哪些，還可由此探討內外因對光合作用的產物或坐標點的移動等方面的影響。

當光合作用所受外界因素如光照強度、溫度和CO2濃度發生改變時，其中間產物如C3酸、C3糖、RuBP、NADPH和NADP+、ATP和ADP等物質在短時間內的含量變化或合成速率也會隨之變化。一般而言，當外界條件轉好，如光強度增加、溫度升高或CO2濃度增加等會加速“摩托車”的轉動，使各物質的反應速率都加快，也即光合速率加快，反之則減慢。

① 外因對光合作用中物質含量在短時間內的影響：在此需要指明的是所謂短時間內含量變化是指外因導致某種物質的第一次含量變化。模型圖中的產物可分為中間產物和終產物，除了終產物——糖類等有機物之外的其他物質均是中間產物，即C3酸、C3糖、RuBP、NADPH和NADP+、ATP和ADP。終產物的含量變化與光合速率的變化是相同的，而中間產物的含量變化則需另當別論。每一類中間產物的總量在原先的外界條件下都可以看做是一定的，且能夠相互轉化的物質之間存在此消彼長的關系。例如，當CO2濃度增加時，摩托車整個部分的運轉都會加快，但各部分的加快是不同步的，而是從碳反應加快再到光反應加快。CO2濃度增加導致其固定速率加快，RuBP消耗增多，含量減少；產物C3酸的含量增多；C3酸增多導致NADPH和ATP消耗增多，其含量減少，而NADP+和ADP的含量因NADPH和ATP的分解而增多。

② 物質合成速率的影響：不管什么外因只要導致該物質的消耗增加，則其合成速率就增加；反之減少。

③ 外因對光合作用曲線坐標中點的影響：當某一外界條件發生改變時，題目中常會要求考查補償點及飽和點的移動情況。分析表明當條件轉好時，無論光補償點還是CO2補償點一般都會左移，而飽和點則會右移，條件轉不利時則相反。

【例3】 如圖5是水生植物黑藻在光照等環境因素影響下光合速率變化的示意圖。下列有關敘述，正確的是（ ）

A. t1→t2，葉綠體類囊體膜上的色素吸收光能增加，基質中水光解加快、O2釋放增多

B. t2→t3，碳反應限制光合作用，若在t2時刻增加光照，光合速率將再提高

C. t3→t4，光照強度不變，光合速率的提高是由于光反應速率不變、碳反應增強的結果

D. t4后短暫時間內，葉綠體中ADP和Pi含量升高，C3化合物還原后的直接產物含量降低

解析：本題主要考查光合作用的影響因素。依據圖4可知，t1→t2，光照增強，水的光解加快，O2釋放增多；t2→t3，限制光合作用的因素是CO2而非光照，若在t2時刻增加光照，光合速率不會提高；t3→t4，充入CO2，碳反應速率增強并帶動光反應速率增加；t4后短暫時間內，因無光照，ATP的合成停止，葉綠體中ADP和Pi含量升高，水的光解也停止，C3還原受阻，致使C3還原后的直接產物糖類含量降低。故D項正確。

答案：D。

事實上，光合作用之“摩托車”模型的組裝與拆卸其實就是“建模”思想和哲學中“整體與部分”思想的結合并將其運用到教學中解決相關問題的實例。由此，在教學中選擇一種好的教學技巧或思路可以達到事半功倍的效果，但不同的教學內容該如何選擇合適的教學思路則需要教師認真去揣摩與反思。endprint