对一道有关光合作用和细胞呼吸试题解析的商榷

新疆

光合作用和细胞呼吸相关知识是高考中的一个重要考查点。因此，与之相关的知识就成为了平时备考的重点，随之涌现出了许多立意新颖、能力考查突出的高质量试题。其中笔者遇到一道试题借助图形，利用“似曾相识，实则不同”的意境，打破学生的思维定式，充分考查学生识图、析图、比较、推理的科学思维和灵活应用知识的能力。然而，该题的原有解析严重影响了它的应有价值，本文对这一试题的解析进行探讨，以供教师们商榷。

1.试题呈现

【例1】某科研小组为研究温度对栽培植物生长的影响，在光照、CO2浓度及其他外界条件适宜且恒定的条件下，测得植物叶肉细胞净光合速率及其在黑暗条件下呼吸速率的相对值如表；在不同温度下该植物叶肉细胞间的CO2浓度相对值如图1。下列叙述不正确的是 （ ）

表

图1

A.该植物在温度为30℃时，光合产物的积累最快

B.在40℃条件下，该植物叶肉细胞的胞间CO2浓度在图中的c 点

C.若温度为35℃时，每天交替进行12 h 光照、12 h黑暗，该植物不能正常生长

D.图中b、d 两点表示光合作用速率等于呼吸作用速率

【答案】D

2.原有解析

2.1 第一种解析（网络版）

分析图1 可知温度变化对该栽培植物生长的影响：胞间CO2浓度的相对值处在图中的c 点时，该栽培植物的光合作用速率等于细胞呼吸速率；胞间CO2浓度的相对值处在图中的d 点时，该栽培植物的净光合速率最小。

表中数据表明：该植物在温度为30℃时，净光合速率相对值最大，光合产物的积累最快，A 正确；在40℃条件下，净光合速率相对值为0，即光合作用速率等于细胞呼吸速率，叶肉细胞无CO2的吸收和释放，故该植物叶肉细胞的胞间CO2浓度应处在图1 中的c 点，B 正确；若温度为35℃时，净光合速率相对值为3，呼吸速率相对值为4.5，每天交替进行12 h 光照、12 h 黑暗，光合产物积累量=3×12 -4.5×12 ＜ 0，因此该植物不能正常生长，C 正确；图1 表示在不同温度下该植物叶肉细胞间的CO2浓度相对值，图1 的c 点代表此时植物的光合作用速率等于细胞呼吸速率，D 错误。

2.2 第二种解析

由表中数据可知：30℃时，该植物的净光合速率相对值最大，光合产物的积累最快，A 正确；在40℃时，该植物的净光合速率相对值为0，植物呼吸作用产生的CO2正好满足光合作用的消耗，胞间CO2浓度维持相对稳定，位于图1 中的c 点，B 正确；温度为35℃时，该植物的净光合速率相对值为3，呼吸速率相对值为4.5，若每天交替进行12 h 光照、12 h 黑暗，光合产物积累量=3×12-4.5×12 ＜0，因此该植物不能正常生长，C 正确；图1 中的b 点表示植物开始进行光合作用、d 点表示植物的光合作用停止，D 正确。

3.存在的问题

由上述两种解析可以看出，二者对于表中数据及相关信息的分析、理解一致，但对图1中曲线及曲线上点的分析、理解存在分歧。对于图1 中d 点，第一种解析认为d 点时该植物的净光合速率最小，第二种解析认为d 点表示植物的光合作用停止。净光合速率最小是否等同于光合作用停止（光合速率为零）呢？其实不然。二者是否等同需要看题中具体条件，如通过例1 题干中信息“在光照、CO2浓度及其他外界条件适宜且恒定的条件下”“在不同温度下该植物叶肉细胞间的CO2浓度相对值如图1”，由此推出d点时植物仍能进行光合作用。可见，例1 中植物的净光合速率最小不等同于植物的光合作用停止（光合速率为零）。那么，上述两种解析孰是孰非？图1中每点的含义是什么？图1 中曲线的变化该如何解释？

4.试题分析

4.1 构建模型，厘清原理

为了厘清在外界CO2浓度恒定的情况下，呼吸速率与光合速率的关系对细胞间及细胞内CO2浓度大小的影响，构建模型进行分析，如图2。

根据题干已知外界CO2浓度为一定值，且CO2的运输方向为由高浓度向低浓度运输，因此叶肉细胞是吸收CO2还是释放CO2就取决于细胞内CO2的浓度，即呼吸速率和光合速率的差值。结合图2 可知，细胞间CO2浓度的变化量反映了净光合速率的大小。当呼吸速率等于光合速率时，细胞既不吸收CO2也不释放CO2，故外界CO2浓度、细胞间CO2浓度、细胞内CO2浓度关系为：A=B=C；当呼吸速率大于光合速率时，细胞释放CO2，故外界CO2浓度、细胞间CO2浓度、细胞内CO2浓度关系为：A＞B＞C，且呼吸速率越大，A、B、C 三者的浓度差也越大，细胞释放CO2的量越多；当呼吸速率小于光合速率时，细胞吸收CO2，故外界CO2浓度、细胞间CO2浓度、细胞内CO2浓度关系为：A＜B＜C，且光合速率越大，A、B、C 三者的浓度差也越大，细胞吸收CO2的量越多。

4.2 运用原理，分析题图

可根据图2 分析图1：图1 中c 点时外界CO2浓度、细胞间CO2浓度、细胞内CO2浓度关系为：A=B=C，故c 点时呼吸速率等于光合速率；图1 中ac 段，细胞间CO2浓度小于外界CO2浓度，说明CO2会由外界扩散到细胞间，故ac 段呼吸速率小于光合速率，且b 点时，光合速率与呼吸速率的差值最大，即净光合速率最大；图1 中ce 段，细胞间CO2浓度大于外界CO2浓度，说明CO2会由细胞间扩散到外界，故ce 段呼吸速率大于光合速率，且d 点时，光合速率与呼吸速率的差值最小，即净光合速率最小。

为什么会出现图1 中的变化呢？这是因为在一定的温度范围内，随着温度的升高，细胞净光合速率增大；当温度达到一定值时，细胞净光合速率达到最大；当温度继续升高时，细胞光合速率减小，呼吸速率增大，净光合速率减小；当温度过高时，细胞死亡，净光合速率为0。如图3 所示。

图3 温度对某植物光合速率和呼吸速率的影响（净光合速率=真正光合速率-呼吸速率）

4.3 区分“相似”，提升思维

【例2】图4 为某一因素对植物光合作用及细胞呼吸的影响，回答下列问题：

图4

（1）若图4 为密闭玻璃罩内某植物在0～24 小时内某气体的含量变化，横轴为时间，虚线A 为最初该气体的含量。曲线变化反映了__________（填气体）的含量变化，纵轴为_____________，能反映光合速率和呼吸速率相等的点是。e 点时，____________（填“有”或“无”）有机物积累，理由是______________________________________________。有机物积累最多的点是_______________________。

（2）若图4 为不同温度下某植物叶肉细胞间的CO2浓度的相对值，虚线A 为外界CO2浓度，则横轴为__________。引起曲线ab 下降的原因是由于光合速率__________（填“大于”“等于”或“小于”） 呼吸速率，导致叶肉细胞__________ （填“吸收”或“释放”）CO2，从而使叶肉细胞间的CO2浓度下降。能反映光合速率和呼吸速率相等的点是__________，净光合速率最大和最小的点分别是_________________________。

【答案】（1）O2密闭玻璃罩内 O2的含量 b、d 有 e 点的O2多于初始，光合作用积累的有机物多于细胞呼吸消耗的有机物，故有有机物的积累 d

（2）温度 大于 吸收 c b 和d

【解析】（1）若图4 为密闭玻璃罩内某植物在0 —24 小时内某气体的含量变化，横轴为时间，0 点及之后一小段时间内，该气体含量逐渐减少，说明呼吸作用消耗所致，故曲线变化反映了O2的含量变化，纵轴为密闭玻璃罩内 O2的含量。由图4 可知，光合速率和呼吸速率相等的点是b、d。e 点的O2多于初始，则光合作用积累的有机物多于细胞呼吸消耗的有机物，故有有机物的积累。b、d 之间有机物一直在积累，d 点以后细胞呼吸速率大于光合作用速率，有机物减少，故有机物积累最多的点是d。

（2）若图4 为不同温度下某植物叶肉细胞间的CO2浓度的相对值，则横轴自变量为温度。引起曲线ab 下降的原因是由于光合速率大于呼吸速率，导致叶肉细胞吸收CO2，从而使叶肉细胞间的CO2浓度下降。由前文可知，c 点时胞间CO2浓度等于外界CO2浓度，光合速率和呼吸速率相等，b 点时净光合速率最大，d 点时净光合速率最小。

5.启示

（1）讲题应注重方法，授学生以“渔”

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》明确指出:学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。因此，教师需要培养学生运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力，培养学生的科学思维习惯和能力、培养学生运用知识解决问题的能力，才能真正落实学科核心素养并逐步形成关键能力，从而更好地实现生物学科的育人价值。

（2）讲题应注重知识的运用，培养学生的创造性思维

通过对本文中例1 的分析可以看出，在讲解习题时，注重对已有知识的运用，如根据已有知识“CO2由高浓度向低浓度运输”及题中信息“外界CO2浓度为一定值”，可分析出细胞间CO2浓度变化的原因，也就是细胞是吸收还是释放CO2取决于细胞内CO2的浓度，即呼吸速率相对值和光合速率相对值的差值。然后建立模型或归纳概括形成新的认知或原理，从而解决新的问题，培养学生的科学思维。对于“似曾相识”的试题，教师更应注重比较、分析和推理，不能靠经验武断处理，掉入陷阱，而是要运用已有认识利用科学思维构建出新的认识，以便打破思维定式，做到全面、细致、严谨地科学分析和论证，从而更好地解决问题。