高中生物“能量”相關疑難點剖析

徐金鵬 朱 旭

(1.安徽省濉溪中學 2.安徽省淮北市第十二中學)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》強調學科核心素養是學科育人價值的集中體現,是學生通過學科學習逐步形成的正確價值觀和必備品格。生命觀念中“物質與能量觀”是幫助學生理解和解釋生物圈中物質運動和能量變化的科學觀念和思想方法,也是學生形成科學自然觀和世界觀的基礎。筆者在教學中發現學生對于易觀察的“物質”概念較易理解,而對于抽象復雜的“能量”則難以理解,甚至出現錯誤認識,這對于學生形成科學核心素養非常不利。教學中筆者結合物理學和化學等內容,查閱資料,剖析“能量”教學中的幾個疑難點,在復習中收獲良好教學效果。

1.無機鹽不能為生物體提供能量就是不含有能量嗎?

這個問題產生于2017年海南高考生物卷第4題中C項,原題C項為“和ATP一樣,KH2PO4也能為生物體提供能量”。結合課堂知識很容易判斷此種說法是錯誤的,解題后就產生“無機鹽不能為生物體提供能量,也就是不含有能量”的錯誤思維。

能量是描寫物體狀態的物理量,是物體做功能力的量度,也是各種形式運動的普遍量度。自然界中一切物質,都處于永恒的運動和變化中,也就是都具有能量。結合愛因斯坦的經典質能方程可以進一步明確物體質量和能量的關系(質能方程:E=mc2,其中c為光速),KH2PO4等無機鹽是物質也就具有能量。能量有動能和勢能兩種,由于有速度具有的能量叫作動能;由于相互作用的物體之間的相對位置所決定的能量叫勢能。能量的主要形式包括原子能、機械能、電能、輻射能和化學能等,除原子能外,其他幾種能量形式均與生命有機體的正常功能有密切關系。

有機物中的化學能對于生物是非常重要的勢能形式,當吃進的食物經過消化和吸收被轉化為身體的構成部分后,通過物質變化釋放出的能量形成動能,進而經過轉化用于各種需能的生命活動(如糖類、脂肪和蛋白質等有機物中的化學勢能通過細胞呼吸轉化為ATP中的化學能后,進而為生命活動提供能量)?？偨Y可知,KH2PO4雖含有一定形式的能量,但不能通過分解轉化為生物體所需的能量形式。

2.ATP為生命活動提供能量是“特殊化學鍵”斷裂釋放的嗎?

這個問題由來于人教版新老教材高中生物學必修1中關于ATP中磷酸基團間化學鍵名稱不同。新教材ATP中“特殊化學鍵”(舊教材稱為“高能磷酸鍵”)實際上為磷酸分子間脫水形成的磷酸酐鍵,磷酸酐鍵本身不含有高能量。在化學反應中,化學鍵斷裂需要克服原子間相互作用故需要吸收能量;產生生成物時原子或化學基團間重新形成化學鍵時又釋放能量。分析可知ATP水解斷裂特殊化學鍵時需要吸收能量,但ATP中末端的磷酸基團有轉移勢能,其水解后形成的產物具有較少的自由能,故ATP水解釋放出大量能量。即ATP水解產生的ADP和Pi分子結構比ATP更穩定,也就是比ATP具有更低的自由能,ATP水解釋放的能量就來自于此自由能差?？偠灾?ATP水解釋放的自由能不是來自斷裂的特殊化學鍵,而是因為生成物所含自由能比反應物低。

又如“Ca2+-ATP酶”運行機制:ATP水解后,反應物與產物間的自由能差以磷酸基團的轉移勢能對載體蛋白進行磷酸化,進而轉化為載體蛋白空間構象變化的分子動能,從而完成主動運輸Ca2+。綜上,ATP水解釋放能量的機理,不能再錯誤地理解為一個特殊化學鍵斷裂。

3.物質被動運輸不需要消耗能量嗎?

對比主動運輸,很多學生認為被動運輸發生過程不需要消耗任何形式能量。水、氣體分子、乙醇和甘油等不帶電荷的小分子物質進行被動運輸(自由擴散)時,這些物質從高濃度運輸到低濃度,雖不需要細胞內化學反應提供能量,但需要借助物質本身的化學勢能(由物質濃度差產生)完成。無機鹽離子(如Na+、K+等)進行被動運輸(協助擴散)時需要由電化學勢能(即離子電荷產生的電勢和離子濃度差產生的化學勢能總和)提供。因此,小分子物質被動運輸不是不消耗能量,只是不需要運輸物質外其他化學反應提供能量。

4.主動運輸消耗的能量只能由ATP水解提供嗎?

進行主動運輸的物質需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量,人教版選修1新教材中選用的Ca2+-ATP酶實例等都強調ATP水解為主動運輸提供能量。在幾個實例下,學生很容易歸納出主動運輸只能由ATP供能的不妥結論。

除ATP外,電能、光能、離子的電化學勢能等均可為主動運輸提供能量,如圖甲、乙、丙所示。

圖甲

圖甲是2016年江蘇省生物高考試題第6題圖,圖中除以ATP水解供能的Na+-K+泵外,還存在右上角協同運輸的實例:溶質分子從胞外低濃度進入胞內高濃度發生的主動運輸,消耗的能量不是ATP水解供能,而是Na+由高濃度運輸到低濃度產生的電化學勢能。圖乙為2021年湖南高考試題第18題圖,此圖為葉綠體中類囊體薄膜上光合磷酸化過程簡圖,圖中光合色素和蛋白質復合體(光系統Ⅱ)吸收光能后,促進水分解產生電子,而電子在傳遞中攜帶的電能讓H+(質子)從葉綠體基質的低濃度處通過主動運輸到類囊體腔的高濃度處,產生的H+濃度差(蘊含的電化學勢能)是光反應中合成ATP的能量來源,即物質主動運輸還可由電能(電子)提供能量。圖丙為線粒體內膜上氧化磷酸化過程簡圖,圖中由NADH分解產生的電子為推動H+(質子)由線粒體基質側的低濃度處運輸到內外膜間隙的高濃度側處供能,即此處H+主動運輸所需能量也是電能。

還有其他實例,如細菌紫膜質是一種膜蛋白,ATP合成酶能將H+勢能轉化為ATP中的化學能。科研人員分別將細菌紫膜質、ATP合成酶和解偶聯劑(常見的如2,4-二硝基苯酚)重組到脂質體(一種由磷脂雙分子層組成的人工膜),并照光進行實驗,結果如圖丁所示。

無ATP產生

通過對比分析四幅圖,可知細菌紫膜質吸收光能作為H+主動運輸的能量來源,而H+的電化學勢能可轉化為ATP中的化學能。

5.植物生長所增加的質量為何不考慮吸收光的質量?

6.為何生態系統需要能量補充?

能量變化有功和熱兩種量度,物體放出了熱量表明此物體能量減少,熱量是由構成物體的分子運動和振動引起。熱力學第二定律指出,能量易轉化成更不易利用及更耗散的狀態,就太陽系而言,最終耗散狀態是所有能量以均勻發散的熱能形式終結。

當太陽能抵達地球時,它傾向于轉化為熱能,只有很小一部分光能(小于1%)被綠色植物吸收,并轉化為食物中的化學勢能,其他大部分都轉化成熱能并逐漸從生物圈中消逝。動物獲取食物中的化學勢能,并將其中大部分轉化成熱能,小部分能量重構成新生原生質的化學勢能,當能量從一個有機體轉換到另一個有機體時,每一步驟中大部分能量降解為熱能。歸納可知,生態系統中通過生產者、消費者和分解者的細胞呼吸或分解作用產生熱量時,總能量雖遵循能量守恒定律,但化學勢能轉化為生物不能再利用的耗散熱能,也就意味著生態系統中可利用能量在減少,這是生態系統無持久太陽能或化學能補充就要面臨因能量短缺而崩潰的重要原因,也是在研究生態系統能量流動時強調能量不能循環利用的重要理論依據。

7.生態系統能量流動中流向分解者的能量算不算“散失”的能量?

這個問題產生與新人教版選擇性必修2第52頁表述、54頁生態系統的能量流動概念及55頁圖3-5(能量流經第二營養級的示意圖)等有關,52頁中強調食物鏈和食物網是生態系統的物質循環和能量流動的渠道,54頁中強調生態系統的能量流動包括能量的輸入、傳遞、轉化和散失等過程,55頁圖3-5中顯示初級消費者糞便和初級消費者遺體殘骸等通過分解者呼吸作用散失。食物鏈和食物網(教材中生態系統結構的食物鏈和食物網只包括生產者和消費者)是能量流動的渠道,能量一旦離開食物鏈和食物網,如各營養級通過呼吸作用散失的熱量即為散失的能量。

能量通過植物殘枝敗葉、動物糞便及遺體殘骸等形式流向分解者的過程(這里只強調能量流向分解者而不是能量被分解者通過呼吸作用轉化成熱能),也是離開了生產者和消費者構成的食物鏈和食物網的過程,那這部分能量是否屬于能量流動中“散失”環節呢?

通過查閱資料,筆者認為這是教材為規范科學性采取的模糊化處理策略。生態系統中食物鏈分為捕食鏈(此種食物鏈通過動植物間捕食關系建立,此種食物鏈只包括生產者和各級消費者)和腐生鏈(由分解者分解植物殘枝敗葉、動物遺體殘骸及排泄物建立)等。若根據人教版生態系統的結構內容分析,課本中只強調捕食鏈(網)前提下,那生態系統中能量通過植物殘枝敗葉、動物糞便和遺體殘骸等流向分解者即為散失;若總體考慮生態系統的捕食鏈和腐生鏈等營養結構,那生態系統中通過植物殘枝敗葉、動物糞便和遺體殘骸等流向分解者的能量就是未離開營養結構,這些能量未散失,只有當分解者通過呼吸作用將這部分能量轉化為熱量時才算散失?？偠灾?流向分解者但還未被轉化為熱量的這部分能量算不算“散失”與能量流動的研究范圍有關,在課本不同章節營養結構內涵和外延有偏差的情況下,教材這種模糊處理非常有必要。

自然界是物質和能量的統一體,建立科學的物質與能量觀對學生科學認識生命和形成正確世界觀至關重要。教學中聯系物理學和化學知識,結合生物學中物質變化與能量轉化關系,跨學科打破學科間壁壘讓學生形成正確的物質觀和能量觀,可以更好認識世界,全面提升核心價值。