一道无氧呼吸高考试题引发的思考

王龙

摘要：无氧呼吸包括产物为酒精和乳酸的两大类型，通过解析2023年全国乙卷相关高考试题，提出并解决了三大核心问题：细胞是否都能切换呼吸方式、植物细胞是否都能进行两类无氧呼吸以及两类无氧呼吸在ATP与第二阶段产能上是否有差异。

关键词：无氧呼吸；试题分析；呼吸类型；产能差异

文章编号：1003-7586（2024）01-0051-02 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

无氧呼吸是生物在缺氧条件下的关键代谢类型，包括产物为酒精和乳酸的两大类型。近期，2023年全国乙卷理科综合中的一道试题引起了广泛关注，触发了笔者对这两大类型及其在细胞中应用的深入思考。

试题（2023全国乙卷）植物可通过呼吸代谢途径的改变来适应缺氧环境。在无氧条件下，某种植物幼苗的根细胞经呼吸作用释放C02的速率随时间的变化趋势如图所示。下列相关叙述错误的是（ ）。

A.在时间a之前，植物根细胞无C02释放，只进行无氧呼吸产生乳酸

B.a～b时间内植物根细胞存在经无氧呼吸产生酒精和C02的过程

C.每分子葡萄糖经无氧呼吸产生酒精时生成的ATP比产生乳酸时的多

D.植物根细胞无氧呼吸产生的酒精跨膜运输的过程不需要消耗ATP

答案C

试题分析 当植物进行有氧呼吸或产酒精的无氧呼吸时，都会释放二氧化碳。从图示可以看出，在时间a之前，植物根细胞没有释放CO₂。结合题意，可以推断，在时间a之前，植物仅通过无氧呼吸产生乳酸，因此A选项是正确的。植物根细胞在a点没有CO₂产生，而在b点释放了大量的CO₂。这表明在a到b的时间段内，植物根细胞通过无氧呼吸产生了酒精和CO₂，这是植物为适应缺氧环境而改变呼吸途径的体现，因此B选项是正确的。无论是产生酒精的无氧呼吸，还是产生乳酸的无氧呼吸，都只在第一阶段释放少量能量合成ATP，第二阶段并不产生ATP。因此，每个葡萄糖分子通过无氧呼吸产生酒精时生成的ATP与产生乳酸时的数量是相同的，C选项是错误的。酒精跨膜运输的方式是自由扩散，这一过程不需要消耗ATP，因此D选项是正确的。综上所述，正确答案为C。通过对该高考试题的分析，引发笔者以下几点思考。

1细胞是否都能够切换呼吸方式

从进化的角度来看，因为早期地球的大气中缺乏氧气，原始生命形式最初可能只能进行无氧呼吸。随着时间的推移，光合作用的出现导致大气中氧气浓度的增加，这为有氧呼吸提供了可能。有氧呼吸能够提供更多的能量，因此，能够进行有氧呼吸的生物在进化过程中可能具有了竞争优势。

1.1酵母菌的呼吸方式切换

酵母菌是一种被广泛研究的微生物模型，其呼吸方式的切换在不同的生長条件下尤为明显。在有氧条件下，酵母菌倾向于进行有氧呼吸，以最大化能量产出。然而，当氧气供应受限时，酵母菌可以切换到无氧呼吸。研究发现，在需氧酵母菌种类中，与细胞呼吸相关的基因在启动子区域编码相对开放的染色质上，这可能有助于基因的表达。相反，在厌氧酵母菌种类中，这些基因在启动子区域编码相对封闭的染色质上，可能限制了其表达。

1.2内生隐球藻的呼吸方式切换

内生隐球藻是一种蓝细菌，其具有在不同环境条件下切换呼吸方式的能力，从而影响其能量转换效率。在有氧条件下，这种藻类通过葡萄糖氧化来产生能量，其ATP的形成效率可以通过测量磷酸化的中间代谢产物和聚葡萄糖来估计。然而，当环境变为缺氧时，内生隐球藻会切换到无氧呼吸，其能量转换效率与有氧条件下存在差异，这种呼吸方式的切换可能与其代谢途径的灵活调节有关。

1.3大肠杆菌的呼吸方式切换

大肠杆菌是一种被广泛研究的细菌模型。在遭遇不同的环境压力时，大肠杆菌不仅可以调整其代谢途径，还能够切换其呼吸方式以适应变化的环境。研究人员通过实验室适应性进化的方法观察到，当大肠杆菌处于萘醌驱动的有氧电子传递链中，它可以灵活地调整其生长速率和对氧化应激的反应。肌肉细胞的这种呼吸方式的切换和代谢适应性为大肠杆菌在多变的环境中生存提供了竞争优势。

1.4人体肌肉细胞的呼吸方式切换

人体肌肉细胞在进行高强度活动时，如跑步或重量训练，可能会面临氧气供应不足的情况。在这种情况下，肌肉细胞会暂时切换到无氧呼吸，以维持能量供应。肌肉细胞的这种呼吸方式会产生乳酸，这也是人们在剧烈运动后感到肌肉酸痛的原因。这种呼吸模式的切换是人体对能量需求和氧气供应之间平衡的一种适应。

1.5不可切换呼吸方式的生物

像蛔虫、破伤风芽孢杆菌和乳酸菌等生物，细胞只能进行无氧呼吸；而像硝化细菌和醋酸杆菌等生物，细胞只能进行有氧呼吸。

由此可见，并非所有生物细胞都有能力切换其呼吸方式，能够切换呼吸方式的生物可能是为了适应不同的环境条件和能量需求而进化出来的。

2植物体细胞是否都能进行两类无氧呼吸

植物细胞在代谢途径上表现出显著的多样性，尤其在无氧环境中。传统观点认为，如玉米胚和马铃薯块茎细胞在无氧呼吸中主要产生乳酸，而其根部细胞则产生乙醇。这引发疑问：同种植物的不同细胞是否都具备两类无氧呼吸？考虑到同种植物细胞的遗传物质一致，它们可能同时携带相关的基因。实际上，NCBI数据库显示，玉米、马铃薯等植物都携带这些基因，但基因的存在并不能证明细胞具备两类无氧呼吸。为验证上述问题，研究者对玉米幼苗根部、甜樱桃砧木和红海榄根系进行水淹胁迫实验，结果显示，根部细胞能同时产生乙醇和乳酸。

综合以上研究结果，可以明确得出结论：在某些植物细胞中，确实具备同时进行两类无氧呼吸的能力。这种代谢途径的多样性为植物在面对不同的环境压力时提供了显著的生存和繁衍优势，特别是在缺氧环境下，具有能够同时产生乙醇和乳酸的植物细胞的植物更有可能获得生存和繁衍的机会。

3两类无氧呼吸在ATP产量和第二阶段产能上是否有差异

无氧呼吸是细胞在缺氧条件下进行的一种代谢途径，它可以分为两类：产酒精的无氧呼吸和产乳酸的无氧呼吸。这两类途径在生化反应和产物上有所不同，但它们都是为了在缺氧环境下为细胞提供能量。

3.1无氧呼吸第一阶段的反应方程式

从上述反应方程式可以看出，无论是产酒精的无氧呼吸还是产乳酸的无氧呼吸，每分子葡萄糖的分解都会产生2个ATP分子。由于第二阶段释放的能量不足以产生ATP，这意味着在ATP产量上，两类无氧呼吸方式是等同的。

3.2产酒精无氧呼吸和产乳酸无氧呼吸第二阶段的反应方程式

热能释放是与反应的焓变[ΔH]相关的，而每种反应的焓变是不同的，且产物酒精和乳酸中所含能量也不相同。已知，1mol葡萄糖在分解成酒精以后，总放能约225.94kJ，1mol葡萄糖在分解成乳酸以后，总放能约196.65kJ，而两类无氧呼吸方式第一阶段放能相同，第二阶段储存能量不同，因此第二阶段有热能释放且两者释放热能值不同。

4结论

综合以上分析，得出结论：无氧呼吸是生物对缺氧环境的关键适应策略，多数细胞具备呼吸方式的切换能力，某些植物细胞能同时进行两类无氧呼吸，两类无氧呼吸在ATP产量上等同，但在热能释放上存在差异。