深挖代谢曲线装置内涵 提升学生思维探究能力

河北

生物教学中教师常常借助数学曲线来呈现生物学现象和规律，从而使复杂的事物简单化，抽象的事物形象化，相关知识系统化、规律化，使学生理清思路，突破重难点，理解和记忆、分析、推理与综合能力得以提升。

一、酵母菌呼吸曲线的构建

探究细胞的呼吸类型实验（如图1）选用了代谢类型（兼性厌氧型）比较特殊的生物——酵母菌，教师教学中可借助数学模型来帮助学生提高对知识的认知。

图1

图2

由实验装置图可构建图2的数学模型，其中图2甲表示随着O2浓度的增加，酵母菌无氧呼吸逐渐受到抑制，图2乙表示随着O2浓度的增加，酵母菌有氧呼吸逐渐增强，到一定O2浓度时，有氧呼吸速率不变。

二、酵母菌呼吸曲线的变形

1.若用细胞呼吸消耗O2和释放CO2的量标注曲线

在生产实践中当O2浓度较低时，细胞同时进行有氧呼吸和无氧呼吸，细胞呼吸曲线便有所变化，CO2曲线代表某一O2浓度下的无氧呼吸和有氧呼吸释放CO2的代数和。

分析：

图3

曲线OPT代表O2吸收量，曲线QPT代表CO2生成量（即无氧呼吸和有氧呼吸产生CO2的代数和）。

【例1】在a、b、c、d条件下，测得某植物种子萌发时CO2和O2体积变化的相对值如表1。若底物是葡萄糖，下列叙述中正确的是（ ）

表1

A.a条件下，产生的ATP来自线粒体

B.b条件下，有氧呼吸消耗的葡萄糖是无氧呼吸消耗葡萄糖的1/5

C.c条件下，无氧呼吸产生能量大于有氧呼吸产生能量

D.d条件下，呼吸产物CO2来自细胞质基质和线粒体

【解析】a条件下，未消耗O2，但有CO2产生，故植物种子只进行无氧呼吸，产生的ATP来自细胞质基质，A项错误；b条件下，有氧呼吸消耗O2为3 mol，产生CO2为3 mol，无氧呼吸产生CO2为5 mol，按照有氧呼吸、无氧呼吸方程式可知：有氧呼吸消耗葡萄糖为0.5 mol，无氧呼吸消耗葡萄糖为2.5 mol，有氧呼吸消耗的葡萄糖是无氧呼吸消耗葡萄糖的1/5，B项正确；c条件下，无氧呼吸消耗葡萄糖为1 mol，有氧呼吸消耗葡萄糖为2/3 mol，但有氧呼吸产生能量多于无氧呼吸，C项错误；d条件下只进行有氧呼吸，产生的CO2来自线粒体基质，D项错误。

【答案】B

2.若用细胞呼吸产生酒精和释放CO2的量标注曲线

图4

【例2】有一瓶混有酵母菌的葡萄糖培养液，当通入不同浓度的氧气时，其产生的酒精和CO2的量如表2所示。通过对表2中数据分析可得出的结论是（ ）

表2

A.a浓度时酵母菌有氧呼吸速率等于无氧呼吸速率

B.b浓度时酵母菌有氧呼吸速率大于无氧呼吸速率

C.c浓度时有50%的葡萄糖用于酵母菌的酒精发酵

D.d浓度时酵母菌只进行有氧呼吸未进行无氧呼吸

【解析】a浓度时酵母菌产生酒精的量和产生CO2的量相等，只进行无氧呼吸，A项错误；b浓度时酵母菌有氧呼吸消耗的葡萄糖为1 mol，无氧呼吸消耗的葡萄糖为3.25 mol，有氧呼吸速率小于无氧呼吸速率，B项错误；c浓度时有氧呼吸消耗葡萄糖为1.5 mol，无氧呼吸消耗葡萄糖为3 mol，有66.7%葡萄糖用于酵母菌的酒精发酵，C项错误；d浓度时酵母菌未产生酒精，故只进行有氧呼吸，D项正确。

【答案】D

【例3】把盛有酵母菌和葡萄糖混合液的装置（如图5所示）置于适宜温度下，一段时间后，经检测，装置中葡萄糖减少了a mol，气体的总量增了b mol。下列关于酵母菌细胞呼吸的分析错误的是（ ）

图5

A.无氧呼吸消耗的葡萄糖的量为0.5b mol

B.细胞呼吸产生的CO2量为（6a-2b）mol

C.有氧呼吸产生的CO2量为（6a-b）mol

D.细胞呼吸消耗的O2量为（6a-3b）mol

【解析】由分析可知，气体的总量增加的b mol为无氧呼吸产生的CO2量，则无氧呼吸消耗的葡萄糖的量为0.5b mol，A项正确；细胞呼吸产生的CO2量＝有氧呼吸产生的CO2量+无氧呼吸产生的CO2量＝（6a-3b+b）mol＝（6a-2b）mol，B项正确；因为无氧呼吸消耗的葡萄糖的量为0.5b mol，则有氧呼吸消耗的葡萄糖的量为（a-0.5b）mol，所以有氧呼吸产生的CO2量和消耗的O2量都为（6a-3b）mol，C项错误、D项正确。

【答案】C

三、呼吸速率的测定

1.有氧呼吸速率测定

图6

2.无氧呼吸速率测定

为了测定无氧呼吸速率，就必须保留CO2，用蒸馏水代替NaOH溶液可测定无氧呼吸强度。

实验结果预测和结论：

装置的设置对应到酵母菌呼吸曲线图上，如图7所示：

图7

OPQ部分的面积代表的是无氧呼吸作用强度，测定它可采用装置二（蒸馏水组），液滴右移的体积代表无氧呼吸速率；OPT部分的面积代表的是有氧呼吸作用强度，测定它可采用装置一（NaOH溶液组），液滴左移的体积代表有氧呼吸速率。O2浓度为0时只进行无氧呼吸，O2浓度为10%时只进行有氧呼吸，O2浓度在0～10%阶段，酵母菌既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸。

【例4】为研究细胞呼吸，取如图8装置分为甲、乙两组，甲组为A处放一定质量的某种种子、B处放一定量NaOH溶液，乙组为A处放等量同种种子、B处放等量蒸馏水。相同时间后，观察液滴移动情况，下列叙述正确的是（ ）

图8

A.乙组液滴一定是右移或不移动

B.甲组液滴移动的量可代表种子呼吸产生的CO2量

C.设计乙组装置是测定种子消耗的O2量与产生的CO2量的差值

D.为了提高实验精确度，可再设置一个A中为等量煮熟的种子，B中为等量NaOH溶液的丙装置

【解析】如果只以葡萄糖为底物，只发生右移或不移动，如果消耗底物为脂肪，则乙组液滴也会发生左移，A项错误；甲组液滴移动的量可代表种子呼吸消耗的O2量，B项错误；设计乙组装置是测定种子消耗的O2量与产生的CO2量的差值，C项正确；为了提高实验精确度，可再设置一个A中为等量煮熟的种子，B中为等量蒸馏水的丙装置，D项错误。

【答案】C

【例5】如图9是某研究性学习小组为了探究酵母菌的细胞呼吸类型而设计的实验装置（酵母菌利用葡萄糖作为能源物质），下列有关实验装置和结果的分析，错误的是（ ）

图9

A.通过装置1仅仅能探究出酵母菌是否进行有氧呼吸

B.用水代替NaOH溶液设置装置2，通过装置2液滴的移动情况可以探究出酵母菌是否进行无氧呼吸

C.用水代替NaOH溶液设置装置2，如果装置1中液滴左移，装置2中液滴右移，说明酵母菌既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸

D.用水代替NaOH溶液设置装置2，装置2中液滴可能向左移

【解析】烧杯中的NaOH溶液能吸收细胞呼吸产生的CO2，所以液滴移动的距离代表细胞呼吸消耗O2的量，因此通过装置1仅仅能探究出酵母菌是否进行有氧呼吸，A项正确；用水代替NaOH溶液设置装置2，由于水不吸收气体也不释放气体，所以液滴移动的距离代表细胞呼吸释放的CO2量与消耗O2量的差值，如果液滴移动说明酵母菌进行了无氧呼吸，如果液滴不移动，说明酵母菌不进行无氧呼吸，B项正确；用水代替NaOH溶液设置装置2，如果装置1中液滴左移，说明有O2的消耗，可以推断出酵母菌进行了有氧呼吸，装置2中液滴右移，说明细胞呼吸释放的CO2量多于O2的消耗量，推断出酵母菌还进行了无氧呼吸，C项正确；用水代替NaOH溶液设置装置2，由于葡萄糖作底物不可能出现O2的消耗量大于CO2的释放量的情况，所以装置2中液滴不可能向左移，D项错误。

【答案】D

四、光合作用曲线与装置关系

光照强度对光合作用强度有影响，但光合作用强度无法直接测出，是借助于净光合速率和呼吸作用速率的测定来完成的。光合作用曲线如图10所示：

图10

在0点位置，光照强度为0，细胞只进行呼吸作用，0A段长度代表呼吸作用强度。AB段呼吸作用强度大于光合作用强度。B点光照强度下，光合作用强度等于呼吸作用强度。BC段光合作用强度大于呼吸作用强度。0D段代表净光合作用强度，AD段代表真正光合作用强度。

1.净光合速率的测定

图11装置乙烧杯中的NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度相对稳定，满足了绿色植物光合作用的需求。植物在光下既进行光合作用也进行呼吸作用，有CO2的吸收和释放，但是都被NaHCO3溶液缓冲掉了，可以不作考虑，故装置中红色液滴的移动代表的是光合作用产生氧气与呼吸作用消耗氧气的差值，即净光合速率。

图11

2.呼吸速率的测定

图11装置甲中的溶液为NaOH溶液，且置于黑暗条件下，则可用来测定呼吸速率，由于NaOH溶液将呼吸作用产生的CO2吸收掉了，故测出的指标是呼吸作用耗氧量。

物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。

装置的设置对应到植物光合作用曲线图上，如图12所示：

图12

【例6】如图13实验装置可以用来测量植物的光合速率和呼吸速率。

图13

（1）若用装置A测量一定光照强度和CO2浓度下的植株的光合速率，装置A中的液体应为____________溶液。

（2）为了校正由于温度和外界气压变化引起的气体体积变化，此时，装置B瓶内应如何设置?___________________________________________。

（3）用上述装置测定一定光照条件下，植株的光合作用速率。实验开始时，图中有色液体处于“0”的位置，两套装置静置2小时后，实验结果如图13所示：甲图液柱高度差读数为160 cm3，乙图液柱高度差读数为40 cm3，假定植株叶面积总数为300 cm2，该植株的光合速率为____________cm3·dm-2·h-1。

（4）若要利用上述装置来测定植株的呼吸速率，则应对装置作何调整?

a.___________________________________________________________；

b.___________________________________________________________。

【解析】高考中处理解答题，首先要纵观全题。本题中要测定光合作用速率和呼吸作用速率，而真正的光合作用速率直接测定不出来，肯定要借助净光合作用速率和呼吸作用速率来计算，在（4）中测了呼吸作用速率，所以（1）中应该是测定净光合作用速率，装置A中的液体应为NaHCO3溶液，（4）中测定呼吸作用速率一定是采用碱溶液并且遮光处理，归纳成“碳酸氢钠净光合，测定呼吸碱遮光”。校正气体受热膨胀或外界气压变化，就需要用与A装置中大小相同的同种死植株，溶液不变进行实验，即“校正换药不换汤”。

【答案】（1）NaHCO3（2）应放置与A中大小相同的同种死植株和等量的NaHCO3溶液 （3）10（4）a.瓶中液体改为放NaOH溶液 b.对瓶进行遮光处理，其他条件不变

知识建构过程是从挖掘曲线的描点法、曲线的坐标、曲线的走势、曲线的关键点以及曲线和装置的关系入手，有助于帮助学生完成思维过程的建立，开拓学生科学探究的视野。