徐金鵬 朱 旭

(1.安徽省濉溪中學(xué) 2.安徽省淮北市第十二中學(xué))

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》強(qiáng)調(diào)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的正確價(jià)值觀和必備品格。生命觀念中“物質(zhì)與能量觀”是幫助學(xué)生理解和解釋生物圈中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量變化的科學(xué)觀念和思想方法,也是學(xué)生形成科學(xué)自然觀和世界觀的基礎(chǔ)。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于易觀察的“物質(zhì)”概念較易理解,而對(duì)于抽象復(fù)雜的“能量”則難以理解,甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),這對(duì)于學(xué)生形成科學(xué)核心素養(yǎng)非常不利。教學(xué)中筆者結(jié)合物理學(xué)和化學(xué)等內(nèi)容,查閱資料,剖析“能量”教學(xué)中的幾個(gè)疑難點(diǎn),在復(fù)習(xí)中收獲良好教學(xué)效果。

1.無(wú)機(jī)鹽不能為生物體提供能量就是不含有能量嗎?

這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生于2017年海南高考生物卷第4題中C項(xiàng),原題C項(xiàng)為“和ATP一樣,KH2PO4也能為生物體提供能量”。結(jié)合課堂知識(shí)很容易判斷此種說(shuō)法是錯(cuò)誤的,解題后就產(chǎn)生“無(wú)機(jī)鹽不能為生物體提供能量,也就是不含有能量”的錯(cuò)誤思維。

能量是描寫(xiě)物體狀態(tài)的物理量,是物體做功能力的量度,也是各種形式運(yùn)動(dòng)的普遍量度。自然界中一切物質(zhì),都處于永恒的運(yùn)動(dòng)和變化中,也就是都具有能量。結(jié)合愛(ài)因斯坦的經(jīng)典質(zhì)能方程可以進(jìn)一步明確物體質(zhì)量和能量的關(guān)系(質(zhì)能方程:E=mc2,其中c為光速),KH2PO4等無(wú)機(jī)鹽是物質(zhì)也就具有能量。能量有動(dòng)能和勢(shì)能兩種,由于有速度具有的能量叫作動(dòng)能;由于相互作用的物體之間的相對(duì)位置所決定的能量叫勢(shì)能。能量的主要形式包括原子能、機(jī)械能、電能、輻射能和化學(xué)能等,除原子能外,其他幾種能量形式均與生命有機(jī)體的正常功能有密切關(guān)系。

有機(jī)物中的化學(xué)能對(duì)于生物是非常重要的勢(shì)能形式,當(dāng)吃進(jìn)的食物經(jīng)過(guò)消化和吸收被轉(zhuǎn)化為身體的構(gòu)成部分后,通過(guò)物質(zhì)變化釋放出的能量形成動(dòng)能,進(jìn)而經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化用于各種需能的生命活動(dòng)(如糖類(lèi)、脂肪和蛋白質(zhì)等有機(jī)物中的化學(xué)勢(shì)能通過(guò)細(xì)胞呼吸轉(zhuǎn)化為ATP中的化學(xué)能后,進(jìn)而為生命活動(dòng)提供能量)。總結(jié)可知,KH2PO4雖含有一定形式的能量,但不能通過(guò)分解轉(zhuǎn)化為生物體所需的能量形式。

2.ATP為生命活動(dòng)提供能量是“特殊化學(xué)鍵”斷裂釋放的嗎?

這個(gè)問(wèn)題由來(lái)于人教版新老教材高中生物學(xué)必修1中關(guān)于ATP中磷酸基團(tuán)間化學(xué)鍵名稱(chēng)不同。新教材ATP中“特殊化學(xué)鍵”(舊教材稱(chēng)為“高能磷酸鍵”)實(shí)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(xué)反應(yīng)中,化學(xué)鍵斷裂需要克服原子間相互作用故需要吸收能量;產(chǎn)生生成物時(shí)原子或化學(xué)基團(tuán)間重新形成化學(xué)鍵時(shí)又釋放能量。分析可知ATP水解斷裂特殊化學(xué)鍵時(shí)需要吸收能量,但ATP中末端的磷酸基團(tuán)有轉(zhuǎn)移勢(shì)能,其水解后形成的產(chǎn)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(chǎn)生的ADP和Pi分子結(jié)構(gòu)比ATP更穩(wěn)定,也就是比ATP具有更低的自由能,ATP水解釋放的能量就來(lái)自于此自由能差?？偠灾?ATP水解釋放的自由能不是來(lái)自斷裂的特殊化學(xué)鍵,而是因?yàn)樯晌锼杂赡鼙确磻?yīng)物低。

又如“Ca2+-ATP酶”運(yùn)行機(jī)制:ATP水解后,反應(yīng)物與產(chǎn)物間的自由能差以磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移勢(shì)能對(duì)載體蛋白進(jìn)行磷酸化,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為載體蛋白空間構(gòu)象變化的分子動(dòng)能,從而完成主動(dòng)運(yùn)輸Ca2+。綜上,ATP水解釋放能量的機(jī)理,不能再錯(cuò)誤地理解為一個(gè)特殊化學(xué)鍵斷裂。

3.物質(zhì)被動(dòng)運(yùn)輸不需要消耗能量嗎?

對(duì)比主動(dòng)運(yùn)輸,很多學(xué)生認(rèn)為被動(dòng)運(yùn)輸發(fā)生過(guò)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(zhì)進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)輸(自由擴(kuò)散)時(shí),這些物質(zhì)從高濃度運(yùn)輸?shù)降蜐舛?雖不需要細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)提供能量,但需要借助物質(zhì)本身的化學(xué)勢(shì)能(由物質(zhì)濃度差產(chǎn)生)完成。無(wú)機(jī)鹽離子(如Na+、K+等)進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)輸(協(xié)助擴(kuò)散)時(shí)需要由電化學(xué)勢(shì)能(即離子電荷產(chǎn)生的電勢(shì)和離子濃度差產(chǎn)生的化學(xué)勢(shì)能總和)提供。因此,小分子物質(zhì)被動(dòng)運(yùn)輸不是不消耗能量,只是不需要運(yùn)輸物質(zhì)外其他化學(xué)反應(yīng)提供能量。

4.主動(dòng)運(yùn)輸消耗的能量只能由ATP水解提供嗎?

進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)需要消耗細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量,人教版選修1新教材中選用的Ca2+-ATP酶實(shí)例等都強(qiáng)調(diào)ATP水解為主動(dòng)運(yùn)輸提供能量。在幾個(gè)實(shí)例下,學(xué)生很容易歸納出主動(dòng)運(yùn)輸只能由ATP供能的不妥結(jié)論。

除ATP外,電能、光能、離子的電化學(xué)勢(shì)能等均可為主動(dòng)運(yùn)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(xié)同運(yùn)輸?shù)膶?shí)例:溶質(zhì)分子從胞外低濃度進(jìn)入胞內(nèi)高濃度發(fā)生的主動(dòng)運(yùn)輸,消耗的能量不是ATP水解供能,而是Na+由高濃度運(yùn)輸?shù)降蜐舛犬a(chǎn)生的電化學(xué)勢(shì)能。圖乙為2021年湖南高考試題第18題圖,此圖為葉綠體中類(lèi)囊體薄膜上光合磷酸化過(guò)程簡(jiǎn)圖,圖中光合色素和蛋白質(zhì)復(fù)合體(光系統(tǒng)Ⅱ)吸收光能后,促進(jìn)水分解產(chǎn)生電子,而電子在傳遞中攜帶的電能讓H+(質(zhì)子)從葉綠體基質(zhì)的低濃度處通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)筋?lèi)囊體腔的高濃度處,產(chǎn)生的H+濃度差(蘊(yùn)含的電化學(xué)勢(shì)能)是光反應(yīng)中合成ATP的能量來(lái)源,即物質(zhì)主動(dòng)運(yùn)輸還可由電能(電子)提供能量。圖丙為線粒體內(nèi)膜上氧化磷酸化過(guò)程簡(jiǎn)圖,圖中由NADH分解產(chǎn)生的電子為推動(dòng)H+(質(zhì)子)由線粒體基質(zhì)側(cè)的低濃度處運(yùn)輸?shù)絻?nèi)外膜間隙的高濃度側(cè)處供能,即此處H+主動(dòng)運(yùn)輸所需能量也是電能。

還有其他實(shí)例,如細(xì)菌紫膜質(zhì)是一種膜蛋白,ATP合成酶能將H+勢(shì)能轉(zhuǎn)化為ATP中的化學(xué)能。科研人員分別將細(xì)菌紫膜質(zhì)、ATP合成酶和解偶聯(lián)劑(常見(jiàn)的如2,4-二硝基苯酚)重組到脂質(zhì)體(一種由磷脂雙分子層組成的人工膜),并照光進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖丁所示。

無(wú)ATP產(chǎn)生

通過(guò)對(duì)比分析四幅圖,可知細(xì)菌紫膜質(zhì)吸收光能作為H+主動(dòng)運(yùn)輸?shù)哪芰縼?lái)源,而H+的電化學(xué)勢(shì)能可轉(zhuǎn)化為ATP中的化學(xué)能。

5.植物生長(zhǎng)所增加的質(zhì)量為何不考慮吸收光的質(zhì)量?

6.為何生態(tài)系統(tǒng)需要能量補(bǔ)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(gòu)成物體的分子運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)引起。熱力學(xué)第二定律指出,能量易轉(zhuǎn)化成更不易利用及更耗散的狀態(tài),就太陽(yáng)系而言,最終耗散狀態(tài)是所有能量以均勻發(fā)散的熱能形式終結(jié)。

當(dāng)太陽(yáng)能抵達(dá)地球時(shí),它傾向于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為食物中的化學(xué)勢(shì)能,其他大部分都轉(zhuǎn)化成熱能并逐漸從生物圈中消逝。動(dòng)物獲取食物中的化學(xué)勢(shì)能,并將其中大部分轉(zhuǎn)化成熱能,小部分能量重構(gòu)成新生原生質(zhì)的化學(xué)勢(shì)能,當(dāng)能量從一個(gè)有機(jī)體轉(zhuǎn)換到另一個(gè)有機(jī)體時(shí),每一步驟中大部分能量降解為熱能。歸納可知,生態(tài)系統(tǒng)中通過(guò)生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的細(xì)胞呼吸或分解作用產(chǎn)生熱量時(shí),總能量雖遵循能量守恒定律,但化學(xué)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為生物不能再利用的耗散熱能,也就意味著生態(tài)系統(tǒng)中可利用能量在減少,這是生態(tài)系統(tǒng)無(wú)持久太陽(yáng)能或化學(xué)能補(bǔ)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(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)時(shí)強(qiáng)調(diào)能量不能循環(huán)利用的重要理論依據(jù)。

7.生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)中流向分解者的能量算不算“散失”的能量?

這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生與新人教版選擇性必修2第52頁(yè)表述、54頁(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)概念及55頁(yè)圖3-5(能量流經(jīng)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)的示意圖)等有關(guān),52頁(yè)中強(qiáng)調(diào)食物鏈和食物網(wǎng)是生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的渠道,54頁(yè)中強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)包括能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失等過(guò)程,55頁(yè)圖3-5中顯示初級(jí)消費(fèi)者糞便和初級(jí)消費(fèi)者遺體殘骸等通過(guò)分解者呼吸作用散失。食物鏈和食物網(wǎng)(教材中生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的食物鏈和食物網(wǎng)只包括生產(chǎn)者和消費(fèi)者)是能量流動(dòng)的渠道,能量一旦離開(kāi)食物鏈和食物網(wǎng),如各營(yíng)養(yǎng)級(jí)通過(guò)呼吸作用散失的熱量即為散失的能量。

能量通過(guò)植物殘枝敗葉、動(dòng)物糞便及遺體殘骸等形式流向分解者的過(guò)程(這里只強(qiáng)調(diào)能量流向分解者而不是能量被分解者通過(guò)呼吸作用轉(zhuǎn)化成熱能),也是離開(kāi)了生產(chǎn)者和消費(fèi)者構(gòu)成的食物鏈和食物網(wǎng)的過(guò)程,那這部分能量是否屬于能量流動(dòng)中“散失”環(huán)節(jié)呢?

通過(guò)查閱資料,筆者認(rèn)為這是教材為規(guī)范科學(xué)性采取的模糊化處理策略。生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈分為捕食鏈(此種食物鏈通過(guò)動(dòng)植物間捕食關(guān)系建立,此種食物鏈只包括生產(chǎn)者和各級(jí)消費(fèi)者)和腐生鏈(由分解者分解植物殘枝敗葉、動(dòng)物遺體殘骸及排泄物建立)等。若根據(jù)人教版生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容分析,課本中只強(qiáng)調(diào)捕食鏈(網(wǎng))前提下,那生態(tài)系統(tǒng)中能量通過(guò)植物殘枝敗葉、動(dòng)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(tài)系統(tǒng)的捕食鏈和腐生鏈等營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu),那生態(tài)系統(tǒng)中通過(guò)植物殘枝敗葉、動(dòng)物糞便和遺體殘骸等流向分解者的能量就是未離開(kāi)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu),這些能量未散失,只有當(dāng)分解者通過(guò)呼吸作用將這部分能量轉(zhuǎn)化為熱量時(shí)才算散失?？偠灾?流向分解者但還未被轉(zhuǎn)化為熱量的這部分能量算不算“散失”與能量流動(dòng)的研究范圍有關(guān),在課本不同章節(jié)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)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(zhì)和能量的統(tǒng)一體,建立科學(xué)的物質(zhì)與能量觀對(duì)學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)生命和形成正確世界觀至關(guān)重要。教學(xué)中聯(lián)系物理學(xué)和化學(xué)知識(shí),結(jié)合生物學(xué)中物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系,跨學(xué)科打破學(xué)科間壁壘讓學(xué)生形成正確的物質(zhì)觀和能量觀,可以更好認(rèn)識(shí)世界,全面提升核心價(jià)值。