徐金鹏 朱 旭
(1.安徽省濉溪中学 2.安徽省淮北市第十二中学)
《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》强调学科核心素养是学科育人价值的集中体现,是学生通过学科学习逐步形成的正确价值观和必备品格。生命观念中“物质与能量观”是帮助学生理解和解释生物圈中物质运动和能量变化的科学观念和思想方法,也是学生形成科学自然观和世界观的基础。笔者在教学中发现学生对于易观察的“物质”概念较易理解,而对于抽象复杂的“能量”则难以理解,甚至出现错误认识,这对于学生形成科学核心素养非常不利。教学中笔者结合物理学和化学等内容,查阅资料,剖析“能量”教学中的几个疑难点,在复习中收获良好教学效果。
这个问题产生于2017年海南高考生物卷第4题中C项,原题C项为“和ATP一样,KH2PO4也能为生物体提供能量”。结合课堂知识很容易判断此种说法是错误的,解题后就产生“无机盐不能为生物体提供能量,也就是不含有能量”的错误思维。
能量是描写物体状态的物理量,是物体做功能力的量度,也是各种形式运动的普遍量度。自然界中一切物质,都处于永恒的运动和变化中,也就是都具有能量。结合爱因斯坦的经典质能方程可以进一步明确物体质量和能量的关系(质能方程:E=mc2,其中c为光速),KH2PO4等无机盐是物质也就具有能量。能量有动能和势能两种,由于有速度具有的能量叫作动能;由于相互作用的物体之间的相对位置所决定的能量叫势能。能量的主要形式包括原子能、机械能、电能、辐射能和化学能等,除原子能外,其他几种能量形式均与生命有机体的正常功能有密切关系。
有机物中的化学能对于生物是非常重要的势能形式,当吃进的食物经过消化和吸收被转化为身体的构成部分后,通过物质变化释放出的能量形成动能,进而经过转化用于各种需能的生命活动(如糖类、脂肪和蛋白质等有机物中的化学势能通过细胞呼吸转化为ATP中的化学能后,进而为生命活动提供能量)。总结可知,KH2PO4虽含有一定形式的能量,但不能通过分解转化为生物体所需的能量形式。
这个问题由来于人教版新老教材高中生物学必修1中关于ATP中磷酸基团间化学键名称不同。新教材ATP中“特殊化学键”(旧教材称为“高能磷酸键”)实际上为磷酸分子间脱水形成的磷酸酐键,磷酸酐键本身不含有高能量。在化学反应中,化学键断裂需要克服原子间相互作用故需要吸收能量;产生生成物时原子或化学基团间重新形成化学键时又释放能量。分析可知ATP水解断裂特殊化学键时需要吸收能量,但ATP中末端的磷酸基团有转移势能,其水解后形成的产物具有较少的自由能,故ATP水解释放出大量能量。即ATP水解产生的ADP和Pi分子结构比ATP更稳定,也就是比ATP具有更低的自由能,ATP水解释放的能量就来自于此自由能差。总而言之,ATP水解释放的自由能不是来自断裂的特殊化学键,而是因为生成物所含自由能比反应物低。
又如“Ca2+-ATP酶”运行机制:ATP水解后,反应物与产物间的自由能差以磷酸基团的转移势能对载体蛋白进行磷酸化,进而转化为载体蛋白空间构象变化的分子动能,从而完成主动运输Ca2+。综上,ATP水解释放能量的机理,不能再错误地理解为一个特殊化学键断裂。
对比主动运输,很多学生认为被动运输发生过程不需要消耗任何形式能量。水、气体分子、乙醇和甘油等不带电荷的小分子物质进行被动运输(自由扩散)时,这些物质从高浓度运输到低浓度,虽不需要细胞内化学反应提供能量,但需要借助物质本身的化学势能(由物质浓度差产生)完成。无机盐离子(如Na+、K+等)进行被动运输(协助扩散)时需要由电化学势能(即离子电荷产生的电势和离子浓度差产生的化学势能总和)提供。因此,小分子物质被动运输不是不消耗能量,只是不需要运输物质外其他化学反应提供能量。
进行主动运输的物质需要消耗细胞内化学反应所释放的能量,人教版选修1新教材中选用的Ca2+-ATP酶实例等都强调ATP水解为主动运输提供能量。在几个实例下,学生很容易归纳出主动运输只能由ATP供能的不妥结论。
除ATP外,电能、光能、离子的电化学势能等均可为主动运输提供能量,如图甲、乙、丙所示。
图甲
图甲是2016年江苏省生物高考试题第6题图,图中除以ATP水解供能的Na+-K+泵外,还存在右上角协同运输的实例:溶质分子从胞外低浓度进入胞内高浓度发生的主动运输,消耗的能量不是ATP水解供能,而是Na+由高浓度运输到低浓度产生的电化学势能。图乙为2021年湖南高考试题第18题图,此图为叶绿体中类囊体薄膜上光合磷酸化过程简图,图中光合色素和蛋白质复合体(光系统Ⅱ)吸收光能后,促进水分解产生电子,而电子在传递中携带的电能让H+(质子)从叶绿体基质的低浓度处通过主动运输到类囊体腔的高浓度处,产生的H+浓度差(蕴含的电化学势能)是光反应中合成ATP的能量来源,即物质主动运输还可由电能(电子)提供能量。图丙为线粒体内膜上氧化磷酸化过程简图,图中由NADH分解产生的电子为推动H+(质子)由线粒体基质侧的低浓度处运输到内外膜间隙的高浓度侧处供能,即此处H+主动运输所需能量也是电能。
还有其他实例,如细菌紫膜质是一种膜蛋白,ATP合成酶能将H+势能转化为ATP中的化学能。科研人员分别将细菌紫膜质、ATP合成酶和解偶联剂(常见的如2,4-二硝基苯酚)重组到脂质体(一种由磷脂双分子层组成的人工膜),并照光进行实验,结果如图丁所示。
无ATP产生
通过对比分析四幅图,可知细菌紫膜质吸收光能作为H+主动运输的能量来源,而H+的电化学势能可转化为ATP中的化学能。
能量变化有功和热两种量度,物体放出了热量表明此物体能量减少,热量是由构成物体的分子运动和振动引起。热力学第二定律指出,能量易转化成更不易利用及更耗散的状态,就太阳系而言,最终耗散状态是所有能量以均匀发散的热能形式终结。
当太阳能抵达地球时,它倾向于转化为热能,只有很小一部分光能(小于1%)被绿色植物吸收,并转化为食物中的化学势能,其他大部分都转化成热能并逐渐从生物圈中消逝。动物获取食物中的化学势能,并将其中大部分转化成热能,小部分能量重构成新生原生质的化学势能,当能量从一个有机体转换到另一个有机体时,每一步骤中大部分能量降解为热能。归纳可知,生态系统中通过生产者、消费者和分解者的细胞呼吸或分解作用产生热量时,总能量虽遵循能量守恒定律,但化学势能转化为生物不能再利用的耗散热能,也就意味着生态系统中可利用能量在减少,这是生态系统无持久太阳能或化学能补充就要面临因能量短缺而崩溃的重要原因,也是在研究生态系统能量流动时强调能量不能循环利用的重要理论依据。
这个问题产生与新人教版选择性必修2第52页表述、54页生态系统的能量流动概念及55页图3-5(能量流经第二营养级的示意图)等有关,52页中强调食物链和食物网是生态系统的物质循环和能量流动的渠道,54页中强调生态系统的能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失等过程,55页图3-5中显示初级消费者粪便和初级消费者遗体残骸等通过分解者呼吸作用散失。食物链和食物网(教材中生态系统结构的食物链和食物网只包括生产者和消费者)是能量流动的渠道,能量一旦离开食物链和食物网,如各营养级通过呼吸作用散失的热量即为散失的能量。
能量通过植物残枝败叶、动物粪便及遗体残骸等形式流向分解者的过程(这里只强调能量流向分解者而不是能量被分解者通过呼吸作用转化成热能),也是离开了生产者和消费者构成的食物链和食物网的过程,那这部分能量是否属于能量流动中“散失”环节呢?
通过查阅资料,笔者认为这是教材为规范科学性采取的模糊化处理策略。生态系统中食物链分为捕食链(此种食物链通过动植物间捕食关系建立,此种食物链只包括生产者和各级消费者)和腐生链(由分解者分解植物残枝败叶、动物遗体残骸及排泄物建立)等。若根据人教版生态系统的结构内容分析,课本中只强调捕食链(网)前提下,那生态系统中能量通过植物残枝败叶、动物粪便和遗体残骸等流向分解者即为散失;若总体考虑生态系统的捕食链和腐生链等营养结构,那生态系统中通过植物残枝败叶、动物粪便和遗体残骸等流向分解者的能量就是未离开营养结构,这些能量未散失,只有当分解者通过呼吸作用将这部分能量转化为热量时才算散失。总而言之,流向分解者但还未被转化为热量的这部分能量算不算“散失”与能量流动的研究范围有关,在课本不同章节营养结构内涵和外延有偏差的情况下,教材这种模糊处理非常有必要。
自然界是物质和能量的统一体,建立科学的物质与能量观对学生科学认识生命和形成正确世界观至关重要。教学中联系物理学和化学知识,结合生物学中物质变化与能量转化关系,跨学科打破学科间壁垒让学生形成正确的物质观和能量观,可以更好认识世界,全面提升核心价值。