巧用生命系统的结构层次 提高二轮复习效率——以“光合作用和呼吸作用的关系”为例

杨晓曦 张 勇

(重庆市黔江中学校)

二轮复习的目标是在一轮复习基础上实现知识和能力的进阶,要求学生能够构建知识网络,具备分析和解决问题的能力,从而全面提升核心素养。在教学中常常忽略生命系统结构层次在培养结构和功能观、物质和能量观中的重要作用。以生命系统的结构层次为中心构建单元教学,可以全面突破教学难点“光合作用和呼吸作用的关系”,在二轮复习中指导学生再次构建生命观念,提升解决实际问题的能力,全面落实核心素养。

1.生命系统的结构层次与“光合作用与呼吸作用关系”的关联性分析

细胞是生物体结构和功能的基本单位,也是生命系统最基本的结构层次。新陈代谢是细胞中快速有序的化学反应,研究新陈代谢常以细胞为单位进行。多细胞生物的个体由若干细胞构成,因此新陈代谢是具有生命的个体应该具备的基本特征。由若干个体构成的种群、群落、生态系统在新陈代谢方面具有共性。其中光合作用和呼吸作用是高中阶段学生需要掌握的新陈代谢的典型代表。从微观到宏观的各个生命系统通过光合作用和呼吸作用完成物质的储存和分解,能量的积累和释放,从而驱动了生命的运转(图1)。

图1

2.光合作用和呼吸作用在生命系统结构层次的分析

2.1 细胞层次考题分析

第一,根据细胞的类型可以判断其是否能够进行光合作用或者呼吸作用:动物细胞只能进行呼吸作用;植物的叶肉细胞可以同时进行光合作用和呼吸作用。

第二,基于细胞器的层面进行分析:叶绿体吸收的CO2、释放的O2或合成的有机物都只与光合作用有关,即其变化量都可代表总光合量;线粒体释放的CO2、吸收的O2或消耗的有机物都只与有氧呼吸作用有关,即其变化量都可代表有氧呼吸量。

第三,基于细胞的层面进行分析:在同时进行光合作用和有氧呼吸的前提下,一方面细胞与外界进行气体交换,另一方面细胞内的叶绿体和线粒体之间进行气体交换。细胞从外界吸收或向外界释放的CO2量受到光合作用和呼吸作用共同影响,是光合作用固定的CO2量与细胞呼吸产生CO2量的差值,即净光合量(若呼吸作用大于光合作用,则细胞向外界释放CO2)。从有机物的角度来看,细胞储存的有机物是叶绿体固定的有机物和线粒体消耗的有机物的差值,也可表示净光合量。

【例题1】将某种植物放在特定的实验装置内,研究温度对光合作用与呼吸作用的影响,实验以该植物叶绿体光合作用吸收的CO2总量与线粒体呼吸作用CO2的释放量为指标,实验结果如表所示。下列对该植物数据表格分析正确的是

( )

温度(℃)202530354045光照下叶绿体CO2吸收总量(mg/h)1.001.752.503.253.753.50黑暗中CO2释放量(mg/h)0.500.751.001.502.253.00

A.昼夜不停地光照,温度为20 ℃时该植物不能生长

B.昼夜不停地光照,温度为45 ℃时,最有利于有机物的积累

C.每天交替进行12 h光照12 h黑暗,温度均保持在45 ℃条件下,能正常生长

D.每天交替进行12 h光照12 h黑暗,温度均保持在35 ℃条件下,能正常生长

【答案】D

【解析】温度为20 ℃时,光照下叶绿体CO2吸收总量为1.00 mg/h,该值表示真光合速率,黑暗中CO2释放量表示呼吸速率,真光合速率大于呼吸速率,即净光合速率大于0,昼夜不停地光照,该植物能够正常生长,A错误;昼夜不停地光照,温度为 35 ℃时有机物积累最多,B错误;每天交替进行 12 h 光照、12 h黑暗,温度均保持在45 ℃时,该植物的有机物积累量为3.50×12-3.00×24=-30(mg)<0,不能正常生长,C错误;每天交替进行12 h光照、12 h黑暗,温度均保持在35 ℃时,该植物的有机物积累量=3.25×12-1.5×24=3(mg),该植物可以正常生长,D正确。

2.2 个体层次考题分析

细胞是组成个体的基本单位,细胞的功能决定了个体的功能。因此,从整体上看植株与环境的气体交换关系时,与细胞内外的气体交换关系具有高度相似性:即植株的CO2吸收量或O2释放量同时受到光合作用和呼吸作用的制约。植株从外界吸收CO2(释放O2)量=光合作用吸收CO2(释放O2)量-呼吸作用释放CO2(吸收O2)量,即净光合量。

但是从植株来看,不同部位的细胞光合作用状态并不相同,如根细胞并不进行光合作用。因此组成植株的叶肉细胞的光合作用强度大于整个植株的光合作用强度。

【例题2】某科研小组测定外界CO2浓度对C3植物和C4植物CO2吸收速率的影响,实验结果如图2所示。该科研小组先将两种植物各一株共同置于同一密闭容器中,实验开始时,容器中CO2浓度为图中C点,其余条件适宜,以下说法正确的是

( )

图2

A.图中CO2浓度为B点时候,C3植物的叶肉细胞光合作用强度等于呼吸作用强度

B.培养过程中先停止生长的是C3植物

C.实验期间两株植物正常存活时,容器内CO2浓度达到平衡的浓度为B

D.CO2浓度从B增加到C时,对C4植物的影响大于C3植物

【答案】B

【解析】CO2浓度为B点时,C3植物植株CO2吸收速率为0,整个植株的光合作用强度等于呼吸作用强度,植物中只有部分细胞能进行光合作用,故叶肉细胞的光合作用强度大于呼吸作用强度,A错误;实验开始时,两株植物的光合作用大于呼吸作用,容器中CO2浓度下降,随着CO2浓度下降至B点时,C3植物植株净光合作用为0,植株停止生长,而C4植物能继续生长,B正确;实验期间两株植物正常存活时,两株植物的CO2平衡点不同,当容器中CO2浓度达到平衡时,应是一株植物吸收CO2,一株植物释放CO2,因此CO2浓度应在A和B点之间,此时C3植物释放CO2速率等于C4植物吸收CO2速率,容器中CO2达到平衡,C错误;CO2浓度从B增加到C的过程中,C3植物吸收CO2速率增加幅度大于C4植物,所以对C3植物的影响大于C4植物,D错误。

2.3 种群层次考题分析

种群是由若干个体构成,从整体上看某植物种群与环境CO2和O2的气体交换关系时,与植株个体内外的气体交换关系具有高度相似性:植物种群的CO2吸收量或O2释放量同时受到光合作用和呼吸作用的制约。该种群从外界吸收CO2(释放O2)量=光合作用吸收CO2(释放O2)量-呼吸作用释放CO2(吸收O2)量,即该种群个体净光合量总和。从有机物的角度来看,光合作用制造有机物,呼吸作用消耗有机物,即该种群植物的总初级生产量(所有植物总光合量)-该种群植物的有机物消耗量(所有植物呼吸总量)=该种群植物的净初级生产量(所有植物净光合量的总量)。

【例题3】如表是某湖泊生态系统中甲～戊各个种群能量数值(单位:102kJ·m-2·a-1),且每个种群只处于一个营养级,己为分解者。下列叙述正确的是

( )

项目甲乙丙丁戊己种群储存的能量66.22.1408.50.81.921.1呼吸作用消耗的能量84.69.7554.31.69.5211.0

A.丙属于生产者,其总初级生产量为408.5×102kJ·m-2·a-1

B.乙与戊的种间关系为捕食和竞争

C.第一营养级到第二营养级能量的传递效率约为15.7%

D.若湖泊受到重度污染,可能通过物理沉降、化学分解等很快消除

【答案】C

【解析】丙含有能量最多,该种群为生产者,该种群的总初级生产量=净初级生产量(种群储存的能量)+呼吸作用消耗的总量,即408.5+554.3=962.8×102kJ·m-2·a-1,A错误;根据表中数据分析,乙和戊应有竞争关系,没有捕食关系,B错误;第一营养级是丙,同化总量是962.8×102kJ·m-2·a-1,第二营养级是甲,同化总量是150.8×102kJ·m-2·a-1,第一营养级到第二营养级的能量传递效率为150.8÷962.8≈15.7%,C正确;若湖泊受到重度污染,超过生态系统的自我调节能力时,则该生态系统可能崩溃,不能恢复,D错误。

2.4 群落层次考题分析

一定区域内所有生物共同构成群落。该群落CO2或O2的气体交换量受到该群落所有生物的气体交换量的影响,即群落吸收CO2(释放O2)量=所有植物光合作用吸收CO2(释放O2)量-所有生物呼吸作用释放CO2(吸收O2)量。

【例题4】某生物科研小组,从鸭绿江的某一深度取得一桶水样,分装于六对黑白瓶中,剩余的水样测得初始溶解氧的含量为10 mg/L,白瓶为透明玻璃瓶,黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下,温度保持不变,24小时后,实测获得六对黑白瓶中溶解氧的含量,请根据其记录数据(如表)判断下列选项中正确的是

( )

光照强度/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气,但没有光照,植物不能进行光合作用产生氧

B.光照强度为a时,白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧量相等,说明此光照强度下植物仍然不能进行光合作用

C.当光照强度为c时,白瓶中植物产生的氧气量为21 mg/(L·24 h)

D.当光照强度为d时,白瓶中植物的净光合速率为20 mg/(L·24 h)

【答案】C

【解析】鸭绿江的江水中除了有植物还有浮游动物和微生物,所以黑瓶中进行呼吸作用的不只是植物,A错误;光照强度为a时,白瓶中溶解氧的含量与初始溶氧量相等,说明植物光合作用产生的氧刚好用于所有生物的呼吸作用消耗,B错误;当光照强度为c时,白瓶中植物光合作用产生的氧气量即为总光合作用量=所有植物释放的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正确;白瓶溶氧量=植物光合作用产生O2量-所有生物呼吸吸收O2量,当光照强度为d时,白瓶中净光合速率是大于20 mg/(L·24 h),D错误。

2.5 生态系统层次考题分析

流经生态系统的总能量是生产者通过光合作用等固定的太阳能,每个营养级的生物的能量一部分通过呼吸作用以热能的形式散失;无机环境中的碳元素主要通过光合作用等进入生物群落,生物群落的碳元素主要通过呼吸作用回到无机环境。因此光合作用和呼吸作用与生态系统的能量流动和物质循环密切相关。一个生态系统的生产者通过光合作用等合成的有机物中含有的能量就是流经这个生态系统的总能量。

【例题5】在生态系统中,植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量,其中一部分用于自身的呼吸消耗,余下部分称为净初级生产量。如表为4个生态系统的研究实例。

类别玉米地荒地湖泊Ⅰ湖泊Ⅱ太阳能利用率(初级生产量/入射太阳能)1.6%1.2%0.4%0.1%呼吸消耗率(呼吸消耗/初级生产量)23.4%15.1%22.3%21.0%净初级生产效率(净初级生产量/初级生产量)76.6%84.9%77.7%79.0%

下列有关叙述错误的是

( )

A.与玉米地相比,荒地的太阳能利用率低,净初级生产效率也低

B.若入射太阳能相同,上述4个生态系统中,制造有机物质最多的是玉米地

C.两个湖泊中植物的呼吸消耗率与玉米地的大致相等,但明显高于荒地

D.两个湖泊的太阳能利用率低,与太阳光穿过水层时损失了部分能量有关

【答案】A

【解析】玉米地的太阳能利用率高于荒地,而玉米地的净初级生产效率却低于荒地,A错误;若入射太阳能相同,上述4个生态系统制造有机物最多的是玉米地,因为玉米地的太阳能利用率最高,B正确;由实验数据可知,两个湖泊中植物的呼吸消耗率与玉米地的大致相等,但明显高于荒地,C正确;两个湖泊中有很多的水生植物,而这些植物接受的太阳能需要穿过水层,据此可推知两个湖泊的太阳能利用率,与太阳光穿过水层时损失了部分能量有关,D正确。

【例题6】图3是我国陆地生态系统某年的碳循环示意图(括号内数据为转移量,单位109t C/年,未加括号数据为库存量,单位109t C/年),根据相关信息,下列说法正确的是

( )

图3

A.碳主要通过消费者和分解者的呼吸作用从生物群落转移到非生物环境中

B.在不考虑人类活动的作用时,我国陆地生态系统的碳吸收量等于排放量

C.若考虑人类活动的作用,陆地生态系统每年向大气净排放的碳量为0.62×109t C/年

D.当群落演替到稳定的森林阶段时,生产者有机物积累量可能低于演替过程中的原因是生产者的光合作用强度降低

【答案】C

【解析】通过呼吸作用将碳从生物群落转移到非生物环境中的成分包括生产者、消费者和分解者,A错误;在不考虑人类活动时,不需计算人口呼吸、秸秆燃烧、化石燃烧和水泥的作用,此时我国的陆地生态系统的碳吸收量为4.26×109t C/年,碳排放量为2.04+1.85+0.08=3.97×109t C/年,小于吸收量,B错误;考虑人类活动时,我国陆地生态系统向大气的净碳排放量为2.04+0.08+1.85+0.18+0.73-4.26=0.62×109t C/年,C正确;当群落演替到稳定的森林阶段时,生产者拥有很高的光合作用强度,但是由于生产者数量多,呼吸作用强,可能导致净光合值低,积累有机物少,D错误。

3.总结

从微观的生命系统(细胞)到宏观的生命系统(生态系统),逐层对“光合作用和呼吸作用的关系”进行分析,在细胞水平和个体水平进行分析时基于高中生物学必修1中的光合作用和呼吸作用的教学内容,对种群、群落和生态系统的分析结合了高中生物学选择性必修2的内容。这种分析思路能够帮助学生基于“光合作用和呼吸作用的关系”构建知识框架,从物质与能量的角度理解“光合作用与呼吸作用的关系”,实现对该知识理解的进阶,解决问题能力的提高。