楊曉曦 張 勇

(重慶市黔江中學(xué)校)

二輪復(fù)習(xí)的目標(biāo)是在一輪復(fù)習(xí)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)知識和能力的進(jìn)階,要求學(xué)生能夠構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò),具備分析和解決問題的能力,從而全面提升核心素養(yǎng)。在教學(xué)中常常忽略生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次在培養(yǎng)結(jié)構(gòu)和功能觀、物質(zhì)和能量觀中的重要作用。以生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次為中心構(gòu)建單元教學(xué),可以全面突破教學(xué)難點(diǎn)“光合作用和呼吸作用的關(guān)系”,在二輪復(fù)習(xí)中指導(dǎo)學(xué)生再次構(gòu)建生命觀念,提升解決實(shí)際問題的能力,全面落實(shí)核心素養(yǎng)。

1.生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次與“光合作用與呼吸作用關(guān)系”的關(guān)聯(lián)性分析

細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位,也是生命系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)層次。新陳代謝是細(xì)胞中快速有序的化學(xué)反應(yīng),研究新陳代謝常以細(xì)胞為單位進(jìn)行。多細(xì)胞生物的個(gè)體由若干細(xì)胞構(gòu)成,因此新陳代謝是具有生命的個(gè)體應(yīng)該具備的基本特征。由若干個(gè)體構(gòu)成的種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)在新陳代謝方面具有共性。其中光合作用和呼吸作用是高中階段學(xué)生需要掌握的新陳代謝的典型代表。從微觀到宏觀的各個(gè)生命系統(tǒng)通過光合作用和呼吸作用完成物質(zhì)的儲存和分解,能量的積累和釋放,從而驅(qū)動了生命的運(yùn)轉(zhuǎn)(圖1)。

圖1

2.光合作用和呼吸作用在生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的分析

2.1 細(xì)胞層次考題分析

第一,根據(jù)細(xì)胞的類型可以判斷其是否能夠進(jìn)行光合作用或者呼吸作用:動物細(xì)胞只能進(jìn)行呼吸作用;植物的葉肉細(xì)胞可以同時(shí)進(jìn)行光合作用和呼吸作用。

第二,基于細(xì)胞器的層面進(jìn)行分析:葉綠體吸收的CO2、釋放的O2或合成的有機(jī)物都只與光合作用有關(guān),即其變化量都可代表總光合量;線粒體釋放的CO2、吸收的O2或消耗的有機(jī)物都只與有氧呼吸作用有關(guān),即其變化量都可代表有氧呼吸量。

第三,基于細(xì)胞的層面進(jìn)行分析:在同時(shí)進(jìn)行光合作用和有氧呼吸的前提下,一方面細(xì)胞與外界進(jìn)行氣體交換,另一方面細(xì)胞內(nèi)的葉綠體和線粒體之間進(jìn)行氣體交換。細(xì)胞從外界吸收或向外界釋放的CO2量受到光合作用和呼吸作用共同影響,是光合作用固定的CO2量與細(xì)胞呼吸產(chǎn)生CO2量的差值,即凈光合量(若呼吸作用大于光合作用,則細(xì)胞向外界釋放CO2)。從有機(jī)物的角度來看,細(xì)胞儲存的有機(jī)物是葉綠體固定的有機(jī)物和線粒體消耗的有機(jī)物的差值,也可表示凈光合量。

【例題1】將某種植物放在特定的實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi),研究溫度對光合作用與呼吸作用的影響,實(shí)驗(yàn)以該植物葉綠體光合作用吸收的CO2總量與線粒體呼吸作用CO2的釋放量為指標(biāo),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表所示。下列對該植物數(shù)據(jù)表格分析正確的是

( )

溫度(℃)202530354045光照下葉綠體CO2吸收總量(mg/h)1.001.752.503.253.753.50黑暗中CO2釋放量(mg/h)0.500.751.001.502.253.00

A.晝夜不停地光照,溫度為20 ℃時(shí)該植物不能生長

B.晝夜不停地光照,溫度為45 ℃時(shí),最有利于有機(jī)物的積累

C.每天交替進(jìn)行12 h光照12 h黑暗,溫度均保持在45 ℃條件下,能正常生長

D.每天交替進(jìn)行12 h光照12 h黑暗,溫度均保持在35 ℃條件下,能正常生長

【答案】D

【解析】溫度為20 ℃時(shí),光照下葉綠體CO2吸收總量為1.00 mg/h,該值表示真光合速率,黑暗中CO2釋放量表示呼吸速率,真光合速率大于呼吸速率,即凈光合速率大于0,晝夜不停地光照,該植物能夠正常生長,A錯(cuò)誤;晝夜不停地光照,溫度為 35 ℃時(shí)有機(jī)物積累最多,B錯(cuò)誤;每天交替進(jìn)行 12 h 光照、12 h黑暗,溫度均保持在45 ℃時(shí),該植物的有機(jī)物積累量為3.50×12-3.00×24=-30(mg)<0,不能正常生長,C錯(cuò)誤;每天交替進(jìn)行12 h光照、12 h黑暗,溫度均保持在35 ℃時(shí),該植物的有機(jī)物積累量=3.25×12-1.5×24=3(mg),該植物可以正常生長,D正確。

2.2 個(gè)體層次考題分析

細(xì)胞是組成個(gè)體的基本單位,細(xì)胞的功能決定了個(gè)體的功能。因此,從整體上看植株與環(huán)境的氣體交換關(guān)系時(shí),與細(xì)胞內(nèi)外的氣體交換關(guān)系具有高度相似性:即植株的CO2吸收量或O2釋放量同時(shí)受到光合作用和呼吸作用的制約。植株從外界吸收CO2(釋放O2)量=光合作用吸收CO2(釋放O2)量-呼吸作用釋放CO2(吸收O2)量,即凈光合量。

但是從植株來看,不同部位的細(xì)胞光合作用狀態(tài)并不相同,如根細(xì)胞并不進(jìn)行光合作用。因此組成植株的葉肉細(xì)胞的光合作用強(qiáng)度大于整個(gè)植株的光合作用強(qiáng)度。

【例題2】某科研小組測定外界CO2濃度對C3植物和C4植物CO2吸收速率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。該科研小組先將兩種植物各一株共同置于同一密閉容器中,實(shí)驗(yàn)開始時(shí),容器中CO2濃度為圖中C點(diǎn),其余條件適宜,以下說法正確的是

( )

圖2

A.圖中CO2濃度為B點(diǎn)時(shí)候,C3植物的葉肉細(xì)胞光合作用強(qiáng)度等于呼吸作用強(qiáng)度

B.培養(yǎng)過程中先停止生長的是C3植物

C.實(shí)驗(yàn)期間兩株植物正常存活時(shí),容器內(nèi)CO2濃度達(dá)到平衡的濃度為B

D.CO2濃度從B增加到C時(shí),對C4植物的影響大于C3植物

【答案】B

【解析】CO2濃度為B點(diǎn)時(shí),C3植物植株CO2吸收速率為0,整個(gè)植株的光合作用強(qiáng)度等于呼吸作用強(qiáng)度,植物中只有部分細(xì)胞能進(jìn)行光合作用,故葉肉細(xì)胞的光合作用強(qiáng)度大于呼吸作用強(qiáng)度,A錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)開始時(shí),兩株植物的光合作用大于呼吸作用,容器中CO2濃度下降,隨著CO2濃度下降至B點(diǎn)時(shí),C3植物植株凈光合作用為0,植株停止生長,而C4植物能繼續(xù)生長,B正確;實(shí)驗(yàn)期間兩株植物正常存活時(shí),兩株植物的CO2平衡點(diǎn)不同,當(dāng)容器中CO2濃度達(dá)到平衡時(shí),應(yīng)是一株植物吸收CO2,一株植物釋放CO2,因此CO2濃度應(yīng)在A和B點(diǎn)之間,此時(shí)C3植物釋放CO2速率等于C4植物吸收CO2速率,容器中CO2達(dá)到平衡,C錯(cuò)誤;CO2濃度從B增加到C的過程中,C3植物吸收CO2速率增加幅度大于C4植物,所以對C3植物的影響大于C4植物,D錯(cuò)誤。

2.3 種群層次考題分析

種群是由若干個(gè)體構(gòu)成,從整體上看某植物種群與環(huán)境CO2和O2的氣體交換關(guān)系時(shí),與植株個(gè)體內(nèi)外的氣體交換關(guān)系具有高度相似性:植物種群的CO2吸收量或O2釋放量同時(shí)受到光合作用和呼吸作用的制約。該種群從外界吸收CO2(釋放O2)量=光合作用吸收CO2(釋放O2)量-呼吸作用釋放CO2(吸收O2)量,即該種群個(gè)體凈光合量總和。從有機(jī)物的角度來看,光合作用制造有機(jī)物,呼吸作用消耗有機(jī)物,即該種群植物的總初級生產(chǎn)量(所有植物總光合量)-該種群植物的有機(jī)物消耗量(所有植物呼吸總量)=該種群植物的凈初級生產(chǎn)量(所有植物凈光合量的總量)。

【例題3】如表是某湖泊生態(tài)系統(tǒng)中甲～戊各個(gè)種群能量數(shù)值(單位:102kJ·m-2·a-1),且每個(gè)種群只處于一個(gè)營養(yǎng)級,己為分解者。下列敘述正確的是

( )

項(xiàng)目甲乙丙丁戊己種群儲存的能量66.22.1408.50.81.921.1呼吸作用消耗的能量84.69.7554.31.69.5211.0

A.丙屬于生產(chǎn)者,其總初級生產(chǎn)量為408.5×102kJ·m-2·a-1

B.乙與戊的種間關(guān)系為捕食和競爭

C.第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級能量的傳遞效率約為15.7%

D.若湖泊受到重度污染,可能通過物理沉降、化學(xué)分解等很快消除

【答案】C

【解析】丙含有能量最多,該種群為生產(chǎn)者,該種群的總初級生產(chǎn)量=凈初級生產(chǎn)量(種群儲存的能量)+呼吸作用消耗的總量,即408.5+554.3=962.8×102kJ·m-2·a-1,A錯(cuò)誤;根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析,乙和戊應(yīng)有競爭關(guān)系,沒有捕食關(guān)系,B錯(cuò)誤;第一營養(yǎng)級是丙,同化總量是962.8×102kJ·m-2·a-1,第二營養(yǎng)級是甲,同化總量是150.8×102kJ·m-2·a-1,第一營養(yǎng)級到第二營養(yǎng)級的能量傳遞效率為150.8÷962.8≈15.7%,C正確;若湖泊受到重度污染,超過生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力時(shí),則該生態(tài)系統(tǒng)可能崩潰,不能恢復(fù),D錯(cuò)誤。

2.4 群落層次考題分析

一定區(qū)域內(nèi)所有生物共同構(gòu)成群落。該群落CO2或O2的氣體交換量受到該群落所有生物的氣體交換量的影響,即群落吸收CO2(釋放O2)量=所有植物光合作用吸收CO2(釋放O2)量-所有生物呼吸作用釋放CO2(吸收O2)量。

【例題4】某生物科研小組,從鴨綠江的某一深度取得一桶水樣,分裝于六對黑白瓶中,剩余的水樣測得初始溶解氧的含量為10 mg/L,白瓶為透明玻璃瓶,黑瓶為黑布罩住的玻璃瓶。將它們分別置于六種不同的光照條件下,溫度保持不變,24小時(shí)后,實(shí)測獲得六對黑白瓶中溶解氧的含量,請根據(jù)其記錄數(shù)據(jù)(如表)判斷下列選項(xiàng)中正確的是

( )

光照強(qiáng)度/klx0(黑暗)abcde白瓶溶氧量/(mg·L-1)31016243030黑瓶溶氧量/(mg·L-1)333333

A.黑瓶中的只有植物呼吸消耗氧氣,但沒有光照,植物不能進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧

B.光照強(qiáng)度為a時(shí),白瓶中溶解氧的含量與初始溶解氧量相等,說明此光照強(qiáng)度下植物仍然不能進(jìn)行光合作用

C.當(dāng)光照強(qiáng)度為c時(shí),白瓶中植物產(chǎn)生的氧氣量為21 mg/(L·24 h)

D.當(dāng)光照強(qiáng)度為d時(shí),白瓶中植物的凈光合速率為20 mg/(L·24 h)

【答案】C

【解析】鴨綠江的江水中除了有植物還有浮游動物和微生物,所以黑瓶中進(jìn)行呼吸作用的不只是植物,A錯(cuò)誤;光照強(qiáng)度為a時(shí),白瓶中溶解氧的含量與初始溶氧量相等,說明植物光合作用產(chǎn)生的氧剛好用于所有生物的呼吸作用消耗,B錯(cuò)誤;當(dāng)光照強(qiáng)度為c時(shí),白瓶中植物光合作用產(chǎn)生的氧氣量即為總光合作用量=所有植物釋放的O2量+所有生物呼吸作用消耗量的O2=(24-10)+(10-3)=21[mg/(L·24 h)],C正確;白瓶溶氧量=植物光合作用產(chǎn)生O2量-所有生物呼吸吸收O2量,當(dāng)光照強(qiáng)度為d時(shí),白瓶中凈光合速率是大于20 mg/(L·24 h),D錯(cuò)誤。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)層次考題分析

流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的總能量是生產(chǎn)者通過光合作用等固定的太陽能,每個(gè)營養(yǎng)級的生物的能量一部分通過呼吸作用以熱能的形式散失;無機(jī)環(huán)境中的碳元素主要通過光合作用等進(jìn)入生物群落,生物群落的碳元素主要通過呼吸作用回到無機(jī)環(huán)境。因此光合作用和呼吸作用與生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)密切相關(guān)。一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者通過光合作用等合成的有機(jī)物中含有的能量就是流經(jīng)這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的總能量。

【例題5】在生態(tài)系統(tǒng)中,植物所固定的太陽能或所制造的有機(jī)物質(zhì)稱為初級生產(chǎn)量,其中一部分用于自身的呼吸消耗,余下部分稱為凈初級生產(chǎn)量。如表為4個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的研究實(shí)例。

類別玉米地荒地湖泊Ⅰ湖泊Ⅱ太陽能利用率(初級生產(chǎn)量/入射太陽能)1.6%1.2%0.4%0.1%呼吸消耗率(呼吸消耗/初級生產(chǎn)量)23.4%15.1%22.3%21.0%凈初級生產(chǎn)效率(凈初級生產(chǎn)量/初級生產(chǎn)量)76.6%84.9%77.7%79.0%

下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是

( )

A.與玉米地相比,荒地的太陽能利用率低,凈初級生產(chǎn)效率也低

B.若入射太陽能相同,上述4個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中,制造有機(jī)物質(zhì)最多的是玉米地

C.兩個(gè)湖泊中植物的呼吸消耗率與玉米地的大致相等,但明顯高于荒地

D.兩個(gè)湖泊的太陽能利用率低,與太陽光穿過水層時(shí)損失了部分能量有關(guān)

【答案】A

【解析】玉米地的太陽能利用率高于荒地,而玉米地的凈初級生產(chǎn)效率卻低于荒地,A錯(cuò)誤;若入射太陽能相同,上述4個(gè)生態(tài)系統(tǒng)制造有機(jī)物最多的是玉米地,因?yàn)橛衩椎氐奶柲芾寐首罡?B正確;由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,兩個(gè)湖泊中植物的呼吸消耗率與玉米地的大致相等,但明顯高于荒地,C正確;兩個(gè)湖泊中有很多的水生植物,而這些植物接受的太陽能需要穿過水層,據(jù)此可推知兩個(gè)湖泊的太陽能利用率,與太陽光穿過水層時(shí)損失了部分能量有關(guān),D正確。

【例題6】圖3是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)某年的碳循環(huán)示意圖(括號內(nèi)數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)移量,單位109t C/年,未加括號數(shù)據(jù)為庫存量,單位109t C/年),根據(jù)相關(guān)信息,下列說法正確的是

( )

圖3

A.碳主要通過消費(fèi)者和分解者的呼吸作用從生物群落轉(zhuǎn)移到非生物環(huán)境中

B.在不考慮人類活動的作用時(shí),我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量等于排放量

C.若考慮人類活動的作用,陸地生態(tài)系統(tǒng)每年向大氣凈排放的碳量為0.62×109t C/年

D.當(dāng)群落演替到穩(wěn)定的森林階段時(shí),生產(chǎn)者有機(jī)物積累量可能低于演替過程中的原因是生產(chǎn)者的光合作用強(qiáng)度降低

【答案】C

【解析】通過呼吸作用將碳從生物群落轉(zhuǎn)移到非生物環(huán)境中的成分包括生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者,A錯(cuò)誤;在不考慮人類活動時(shí),不需計(jì)算人口呼吸、秸稈燃燒、化石燃燒和水泥的作用,此時(shí)我國的陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量為4.26×109t C/年,碳排放量為2.04+1.85+0.08=3.97×109t C/年,小于吸收量,B錯(cuò)誤;考慮人類活動時(shí),我國陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣的凈碳排放量為2.04+0.08+1.85+0.18+0.73-4.26=0.62×109t C/年,C正確;當(dāng)群落演替到穩(wěn)定的森林階段時(shí),生產(chǎn)者擁有很高的光合作用強(qiáng)度,但是由于生產(chǎn)者數(shù)量多,呼吸作用強(qiáng),可能導(dǎo)致凈光合值低,積累有機(jī)物少,D錯(cuò)誤。

3.總結(jié)

從微觀的生命系統(tǒng)(細(xì)胞)到宏觀的生命系統(tǒng)(生態(tài)系統(tǒng)),逐層對“光合作用和呼吸作用的關(guān)系”進(jìn)行分析,在細(xì)胞水平和個(gè)體水平進(jìn)行分析時(shí)基于高中生物學(xué)必修1中的光合作用和呼吸作用的教學(xué)內(nèi)容,對種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)的分析結(jié)合了高中生物學(xué)選擇性必修2的內(nèi)容。這種分析思路能夠幫助學(xué)生基于“光合作用和呼吸作用的關(guān)系”構(gòu)建知識框架,從物質(zhì)與能量的角度理解“光合作用與呼吸作用的關(guān)系”,實(shí)現(xiàn)對該知識理解的進(jìn)階,解決問題能力的提高。