溯源穷流：构建生物学“来源—去路”思维模式

甘肃 彭二雄

溯源穷流：构建生物学“来源—去路”思维模式

甘肃 彭二雄

生命有机体是开放的自组织系统，不断伴随着物质、能量与信息的输入和输出。在与外界环境的相互作用中，系统输入和输出始终处于动态变化与平衡之中。许多学生常常静态片面地看待生物学动态过程，对相关内容和习题往往感到迷惑不解、无从下手。依据溯源穷流的动态思维构建分析生物学过程的“来源—去路”思维模式，可以准确把握核心知识的内涵与外延，厘清相关知识的内在联系，将许多疑难问题化难为易、精巧解析。

1.来踪去迹明晰过程

1.1 追踪元素“来源—去路”，把握化学反应实质

根据化学反应的实质，反应物是产物中元素的来源，产物是反应物中元素的去路，元素在反应前后总量不变。例如，有氧呼吸产物H2O中的O来源于O2，反应物H2O中的O则经反应进入CO2；根据脱水缩合反应的实质，N元素来源于氨基酸α碳上的氨基（—NH2）和R基上的氨基，反应后则出现在肽链中的肽键（—CO—NH—）、肽链末端留存的氨基和R基上氨基。通过追踪化学反应中元素的“来源—去路”，可以深入理解代谢反应的实质，从而化难为易、轻松解题。

【例题】图1表示一种链状十九肽（CxHyOzNwS，z≥22，w≥20）水解的产物，经测定，其彻底水解的产物只有以下五种氨基酸。该十九肽彻底水解后可产生____个赖氨酸，____个天冬氨酸。

图1

【解析】赖氨酸与另外四种氨基酸的主要区别在于其R基上有一个—NH2。根据脱水缩合反应的实质，N元素在反应前后“来源=去路”（图2）。肽链侧链基团上的—NH2共w-（19-1）-1个，故赖氨酸共w-19个。天冬氨酸的特点在于其R基上有一个—COOH，可追踪O元素计算其数目为（z-20）/2个。

图2

【答案】w-19 （z-20）/2

1.2 追踪能量“来源—去路”，掌握能量流动特点

能量流动是生态系统的功能之一，具有单向流动和逐级递减的特点，各营养级都有特定的能量输入和流向（图3）。追踪不同营养级的能量输入和特定流向，可以深入理解和掌握生态系统能量流动的特点。

图3 生态系统营养级的能量“来源—去路”

【例题】如图4是某人工鱼塘生态系统能量流动过程中部分环节涉及的能量值[单位为103kJ/（m2·y）]。下列说法错误的是 （ ）

图4

A.图中A代表的生理过程是呼吸作用

B.第二营养级到第三营养级的能量传递效率为15.625%

C.该生态系统中生产者固定的总能量是9.6×104kJ/（m2·y）

D.捕食关系一般不可逆转，所以能量流动具有单向性

【解析】根据题意，A为呼吸作用散失的热能，A项正确；题中信息可转化为图5，则c=2.5，b=14，a=110，C项错误；肉食性动物从植食性动物获得并同化的能量为2.5，植食性动物的同化量为捕食与有机物输入之和为16，故从第二营养级到第三营养级的能量传递效率为2.5/16×100%=15.625%，B项正确；食物链和食物网是以食物关系形成的联系，捕食关系的单向性决定了能量流动的单向性，D项正确。

【答案】C

图5

2.有来有去明确变化

2.1 综合代谢“来源—去路”，判断物质含量变化

代谢反应中的物质既有生成补充（来源）又有反应耗减（去路）。当生成＞消耗时，相应物质含量增加；生成＜消耗，相应物质含量减少；生成=消耗，相应物质含量保持稳定。例如，植物体中有机物含量的变化取决于其光合作用合成有机物与呼吸作用消耗有机物的速率大小关系；细胞中ATP的含量之所以保持相对稳定是由于其水解与合成时刻不停地发生并处于动态平衡之中；光合作用中C3、C5等物质含量变化取决于光照强度、CO2浓度等环境因素变化对光反应、CO2固定、C3还原等反应过程的影响。只关注物质的生成或者消耗，会导致对其含量变化的片面判断。

【例题】离体叶绿体在光下进行稳定的光合作用时，如果突然改变某一条件，下列关于短时间内叶绿体中相关物质的相对含量变化的叙述，正确的是 （ ）

A.突然中断CO2供应，C5含量减少

B.突然增大光强，C3含量增多

C.突然停止光照，ADP含量减少

D.突然中断CO2供应，ATP含量增多

【解析】本类型习题易错之处在于不能对光合作用（光反应与暗反应、CO2固定与C3还原）等过程涉及的相关物质变化进行动态关联，综合分析相关物质的“来源—去路”可以准确判断其含量变化。光合作用稳定时，CO2固定与C3还原相对稳定，叶绿体中ATP与ADP的转化也处于动态平衡，即来源≈去路。C3还原（C5来源）→C5→CO2固定（C5去路），突然中断CO2供应，导致CO2固定受到限制（C5去路受阻），C3还原暂未受影响（C5来源不变），C5含量增加，A项错误。CO2固定（C3来源）→C3→C3还原（C3去路），突然增大光强（原初条件未达到光饱和点），光反应产物ATP和[H]增多，导致C3还原加快（去路增大），CO2固定暂不受影响（来源正常），C3含量减少，B项错误；ATP水解（ADP来源）→ADP→ATP合成（ADP去路），突然停止光照，光反应衰减，ATP合成受阻，ATP水解正常，ADP含量增多,C项错误；ATP合成（来源）→ATP→ATP水解（去路），突然中断CO2供应使C3含量骤减，ATP失去作用对象而水解减弱（去路受阻），光反应继续利用ADP合成ATP（来源正常），ATP含量增多，D项正确。

【答案】D

2.2 综合生物“来源—去路”，分析种群数量变化

种群密度（数量）受到出生率、迁入率的增加补充和死亡率、迁出率损消减少的直接影响，也受到年龄组成和性别比例的间接影响（图6）。其中，出生率和死亡率是影响种群密度变化最主要的因素。一般出生率＞死亡率，种群密度增加；出生率＜死亡率，种群密度下降；出生率=死亡率，种群密度维持稳定。

图6 种群数量的“来源—去路”

【例题】如图7所示，下列对种群数量变化曲线的解读，不合理的是 （ ）

图7

A.种群数量增长最快是在b和n点，能获得最大日捕获量

B.o点对应的时期，种群的出生率等于0

C.c点时种群个体总数达到了环境容纳量o，种内斗争最激烈

D.d点对应的时期与p相同

【解析】上图中a点出生率＞死亡率，种群数量增长，对应下图中m点；b点出生率与死亡率的差值最大，种群增长最快，对应n点；c点出生率=死亡率＞0，种群数量达到环境容纳量并保持稳定，个体总数最大，种内斗争最激烈；d点时出生率＜死亡率，种群数量下降，对应p点。

【答案】B

3.来去平衡保持稳态

3.1 追寻平衡“来源—去路”，理解稳态调节内涵

内环境稳态是相关物质和能量的来源、去路动态平衡的结果。许多人往往仅着眼于抽象的调节方式（神经调节、激素调节等），而忽略了与生活联系更为密切的具体调节对象——相关物质和能量的来源、去路问题。例如神经系统、激素等并非直接作用于血糖、水盐或者能量本身，而是通过增减相应来源、去路以维持其“来源≈去路”来进行稳态调节的。例如，血糖平衡是胰岛素、胰高血糖素（肾上腺素）等调节血糖来源和去向动态平衡的结果（图8）；渗透压平衡是生物机体水、盐摄入与排出动态平衡的结果，主要通过控制排出尿量的变化进行调节；体温相对稳定是机体产热和散热平衡的结果，机体产热与散热变化受到神经调节与体液调节的共同作用。抛却“来源—去路”单纯看调节，往往会显得空洞抽象、无从着落。

图8 血糖的来源—去路及其调节

【例题】如图9所示，将20℃恒温下的四只小动物同时分别置于恒温15℃、25℃条件下一小段时间，在改变温度的这段时间里，预测他们的耗氧量、产（散）热量变化情况（假设20℃条件下四只小动物代谢水平相同）。下列说法不正确的是 （ ）

图9

A.甲的产热量＞丙的产热量

B.乙的耗氧量＜丁的耗氧量

C.甲的产热量=甲的散热量

D.丙的产热量=丙的散热量

【解析】小鼠是恒温动物，青蛙是变温动物。小鼠甲与青蛙丙从20℃环境移到15℃环境，小鼠甲体温处于相对稳定，产热与散热基本相等，C项正确；但外界温度降低，与小鼠体温温差增大，小鼠甲散热增大，为了维持体温恒定，产热亦增大，青蛙丙的体温会下降到15℃左右，散热增大，产热减少，A项正确；小鼠乙与青蛙丁从20℃环境移到25℃环境，青蛙丁的体温将会升高，产热增大散热减少，青蛙丁耗氧量增大，产热＞散热，D项错误；小鼠乙的体温不变，环境温度升高与小鼠体温温差缩小，小鼠散热减少，产热降低，耗氧量减少，B项正确。

【答案】D

3.2 追寻反应“来源—去路”，体悟平衡生命观念

生命系统的平衡是系统结构和生理稳定的前提，从细胞内物质含量到生态系统结构和功能均能保持动态平衡。稳定与平衡观是生物学核心素养中重要的生命观念之一。依据“来源-去路”系统性思维，可以深入分析生命系统处于动态变化与平衡的原因。

【例题】如果突然降低CO2浓度，光合作用中C3的含量会否一直下降？

【解析及参考答案】降低CO2浓度，CO2固定减慢，C3来源减少，其他条件不变，短时间内C3还原不会变化，C3去路不变，短时间内C3含量下降。至于C3含量是否会一直下降则并非线性分析可以解释。利用来源和去路趋于平衡可以反映其中包含的稳定与平衡观念。CO2来源减少却未停止，C3含量下降影响光反应速率，CO2固定与C3还原、光反应与暗反应相互联系而又彼此制约，C3消耗减少，最终C3来源与去路趋于相等，C3将维持在一个含量相对较低的新的平衡状态，而不会持续下降。

甘肃省礼县第一中学）