破解細胞代謝七種疑難問題

遼寧 魏鳳國 上海 嚴黎煒

光合作用和細胞呼吸是高中生物學的重點也是難點，高考中常考的試題類型中，常涉及以下七種典型，下面分別示例并點撥。

1.巧用概念圖 解細胞呼吸曲線歸因問題

例題：酵母菌的細胞呼吸類型隨氧氣濃度的變化而變化，其CO2釋放總量隨O2濃度變化的曲線分析是難點。其數學模型如圖1所示：

圖1

由圖1中曲線可知，隨O2濃度的增加，有氧呼吸在增強，無氧呼吸在減弱，那么OA段，CO2釋放總量下降的原因是什么？AD段CO2釋放總量增加的原因是什么？

分析：曲線OA段，O2濃度增加，同時發生無氧呼吸減弱和有氧呼吸加強這兩種變化，而無氧呼吸減弱使CO2釋放量下降，有氧呼吸增強使CO2釋放量增加。因此學生往往不知道用什么語言才能簡練而又準確地概括出來。

解析：曲線OA段，用概念圖的形式來表達自變量與因變量的關系更加直觀，可作如圖2所示概念圖：

圖2

根據以上概念圖，曲線OA段隨O2濃度增大，CO2釋放總量下降顯然是由無氧呼吸減弱導致的，因為有氧呼吸增強只能是使CO2釋放總量增加，無氧呼吸減弱才是使CO2釋放總量下降的主要矛盾，而決定事物發展方向的是主要矛盾。因此，OA段CO2釋放總量下降的原因是隨O2濃度增大，無氧呼吸減弱。同理，曲線AD段CO2釋放總量增加的原因是隨O2濃度增大，有氧呼吸增強。

點撥：當單一因子變化對兩個生理過程起相反作用時，可在單一因子、生理過程和因變量之間構建概念圖，根據概念圖即可回答隨單一因子變化，與因變量呈正相關的生理過程。

2.吃透物理概念 處理平均呼吸速率誤區

例題：某研究小組用如圖3所示裝置測量萌發的小麥種子的呼吸速率，測量時每隔5 min將注射器活塞向下移動，待有色液滴回到實驗開始時的位置停止，根據活塞移動的距離可測出氣體的變化量，結果如表所示：

圖3

分析數據可知，該段時間小麥種子的有氧呼吸速率為________。

錯因分析：根據表中數據，學生容易計算每5分鐘的有氧呼吸速率，然后再將計算所得數據取平均值作為這段時間小麥種子的有氧呼吸速率。

解析：根據物理學中平均速率的含義，平均速率等于通過一段位移除以通過這段位移用的總時間。因此有氧呼吸速率=5.5 mL/25 min=0.22 mL/min。

點撥：當實驗設計取樣間隔相同時間，有不同的變化量時，實驗過程中的不同時間段會有不同的速率，若求整個實驗過程的平均速率，應借助物理學中對平均速率的定義進行計算，而不是不同時間不同速率的平均值。

3.簡化模型 解決光合作用過程中條件驟變時的物質變化

例題：在光照、CO2濃度和溫度等都適宜的條件下，某綠色植物葉肉細胞內的NADPH、ATP、C3與C5等的相對含量較為穩定。若降低CO2濃度，則該植物葉肉細胞內NADPH、ATP、C3與C5短時間內的變化趨勢為________。

錯因分析：學生認為降低CO2濃度，導致C5生成C3減少，C3減少后被NADPH還原減少，導致C5生成減少，因此，C3減少，C5不變，C3減少，消耗的NADPH和ATP減少，NADPH和ATP的剩余量增加。故作出NADPH和ATP增加、C3減少、C5不變的錯誤判斷。

解析：關于改變外界條件，判斷葉肉細胞內NADPH、ATP、C3與C5含量的變化趨勢時，可作一個光合作用暗反應的簡化概念模型，如圖4所示：

圖4

根據簡易概念圖可知，降低CO2濃度，對稱軸右側是引起這些物質變化的主要矛盾。可認為右側減慢，而左側不變，故C3減少，C5增加。減少的C3消耗的NADPH和ATP減少，NADPH和ATP的剩余量增加。

點撥：解此題的關鍵是構建簡化的暗反應概念模型，將C3和C5用對稱軸平分，分析某因素變化后影響對稱軸的一側即可，短時間內另一側假定不變。

4.半葉法實際光合速率的測定

例題：某研究小組利用半葉法測定實際光合速率，將葉片均勻分為兩半，一半光照2 h后烘干稱重為a g，另一半在黑暗處2 h后烘干稱重為b g。如圖5所示，則該葉片的實際光合速率為________。

圖5

錯因分析：這類題學生常容易忽略葉片的原始重量，誤認為光照下的干重是2 h光合作用的增加量，即凈光合速率為a/2，黑暗下的干重是2 h細胞呼吸消耗的減少量，即呼吸速率為b/2。因此實際光合速率為a/2+b/2。

解析：由于原始干重未知，所以凈光合速率不為a/2，呼吸速率不為b/2。可設原始干重為x g。則凈光合速率=(a-x)/2，呼吸速率=(x-b)/2。實際光合速率=凈光合速率+呼吸速率。則有凈光合速率+呼吸速率=(a-x)/2+(x-b)/2=(a-b)/2。

點撥：呼吸速率和凈光合速率都可在一段時間內測定有機物的變化量，再通過計算獲得。當原始物質量未知時，可設一個未知數，最后再設法將未知數消去。

5.光補償點和光飽和點移動問題

例題：如圖6為某植物在一定溫度下光合作用強度隨光照強度的變化關系。若適當升高溫度使光合作用強度和呼吸作用強度都增加，且升高溫度對光合作用的影響小于對呼吸作用的影響(假設CO2濃度不變，原光照強度不變)，則適當升溫后，理論上b點，c點移動方向應該是________。

圖6

錯因分析：圖6中顯示植物CO2吸收速率隨光照強度的變化關系，當自變量與因變量一對一時，分析起來還相對容易。當分析多種因素影響時，則容易作出錯誤的判斷。

解析：根據補償點和飽和點的含義，光照強度為b時，該植物的實際光合速率=呼吸速率，即凈光合速率=0。當升高溫度使呼吸速率增加幅度大于實際光合速率增加幅度時，只有增大光照強度才能使得實際光合速率增加后等于呼吸速率。而增加溫度使暗反應速率增加，也必然促進光反應增加，使光反應所需要的光照強度增大。因此，b點右移，c點右移。

點撥：由上分析可得出結論：補償點與凈光合速率呈負相關，飽和點與實際光合速率呈正相關。遇到此類問題時，利用規律可直接作出準確的判斷。

6.多變量下CO2吸收速率隨時間變化的問題

例題：如圖7為一晝夜某植物CO2吸收速率的變化曲線，若a點與b點時的溫度相等，則a點時的光照強度________(填“大于”“小于”或“等于”)b點時的光照強度。

圖7

錯因分析：由于a、b兩點的CO2吸收速率均為0，則a點的實際光合速率=a點呼吸速率，b點的實際光合速率=b點的呼吸速率。一般認為呼吸速率受溫度影響，a、b兩點溫度相等，則認為a、b兩點的呼吸速率相等，推測a、b兩點的實際光合速率相等，而作出a點的光照強度等于b點光照強度的錯誤判斷。

解析：根據曲線可知，a點實際光合速率=a點呼吸速率，b點實際光合速率=b點呼吸速率。影響呼吸速率與光合速率變化在一天中是多方面的，除了溫度外，還有氣體條件和光照強度等。雖然a點與b點時的溫度相等，但O2濃度和CO2濃度不同。由于b點時的O2濃度高，CO2濃度低，所以b點時的呼吸速率大于a點，因此a點的實際光合速率小于b點。而a點的CO2濃度高于b點，溫度又相等，只有光照強度小于b點才能滿足a點的實際光合速率小于b點這一結果。因此，a點的光照強度小于b點。

點撥：分析多因素下不同補償點的某一外界條件關系時，除指定的外界條件外，應更加關注其他因素對不同補償點時相關代謝的影響，進而作出準確的判斷。

7.密閉容器內光合作用和細胞呼吸綜合題解題策略

例題：如圖8為科研人員測得兩個密閉容器內甲、乙兩種盆栽植物在適宜光照和適宜溫度的條件下，容器內的CO2濃度隨時間的變化關系曲線：

圖8

(1)開始一段時間內隨CO2濃度下降，該植物的光合速率如何變化？

錯因分析：正常情況下，植物一般隨CO2濃度下降，光合速率下降，因此學生很容易作出這樣的錯誤判斷。實際上學生的知識庫中存在隨CO2濃度變化，植物光合速率變化的曲線模型，只是沒有與這個問題聯系起來。

解析：畫出隨CO2濃度的變化，植物光合速率變化的曲線模型，如圖9所示：

圖9

根據這個數學模型很容易判斷初始一段時間內，若實驗時CO2濃度的起點在Q點右側，則隨著CO2濃度的下降，光合速率不變；若實驗時CO2濃度的起點在Q點或Q點左側，則隨著CO2濃度的下降，光合速率減小。

點撥：解答此類問題時，應在自己的知識庫中搜索與之相關的曲線模型，然后將相關知識遷移到需要解答的問題中來，才能作出準確的判斷。

(2)在兩曲線相交即B點時，甲乙兩種植物的凈光合速率大小關系如何？

錯因分析：在曲線相交時，往往直觀判斷，認為此時，甲乙兩種植物的凈光合速率相等。

解析：實際上兩曲線相交時，直接表示為當橫坐標為某一點時，縱坐標相等。即交點B表示此時兩個容器內的CO2濃度相等。凈光合速率可以用單位時間內CO2吸收量來表示，即單位時間內容器內CO2濃度的減少量。因此在B點時的斜率即為凈光合速率，顯然B點時乙植物的斜率大于甲植物。因此B點對應時刻，乙植物的凈光合速率大于甲植物的凈光合速率。