破解细胞代谢七种疑难问题

辽宁 魏凤国 上海 严黎炜

光合作用和细胞呼吸是高中生物学的重点也是难点，高考中常考的试题类型中，常涉及以下七种典型，下面分别示例并点拨。

1.巧用概念图 解细胞呼吸曲线归因问题

例题：酵母菌的细胞呼吸类型随氧气浓度的变化而变化，其CO2释放总量随O2浓度变化的曲线分析是难点。其数学模型如图1所示：

图1

由图1中曲线可知，随O2浓度的增加，有氧呼吸在增强，无氧呼吸在减弱，那么OA段，CO2释放总量下降的原因是什么？AD段CO2释放总量增加的原因是什么？

分析：曲线OA段，O2浓度增加，同时发生无氧呼吸减弱和有氧呼吸加强这两种变化，而无氧呼吸减弱使CO2释放量下降，有氧呼吸增强使CO2释放量增加。因此学生往往不知道用什么语言才能简练而又准确地概括出来。

解析：曲线OA段，用概念图的形式来表达自变量与因变量的关系更加直观，可作如图2所示概念图：

图2

根据以上概念图，曲线OA段随O2浓度增大，CO2释放总量下降显然是由无氧呼吸减弱导致的，因为有氧呼吸增强只能是使CO2释放总量增加，无氧呼吸减弱才是使CO2释放总量下降的主要矛盾，而决定事物发展方向的是主要矛盾。因此，OA段CO2释放总量下降的原因是随O2浓度增大，无氧呼吸减弱。同理，曲线AD段CO2释放总量增加的原因是随O2浓度增大，有氧呼吸增强。

点拨：当单一因子变化对两个生理过程起相反作用时，可在单一因子、生理过程和因变量之间构建概念图，根据概念图即可回答随单一因子变化，与因变量呈正相关的生理过程。

2.吃透物理概念 处理平均呼吸速率误区

例题：某研究小组用如图3所示装置测量萌发的小麦种子的呼吸速率，测量时每隔5 min将注射器活塞向下移动，待有色液滴回到实验开始时的位置停止，根据活塞移动的距离可测出气体的变化量，结果如表所示：

图3

分析数据可知，该段时间小麦种子的有氧呼吸速率为________。

错因分析：根据表中数据，学生容易计算每5分钟的有氧呼吸速率，然后再将计算所得数据取平均值作为这段时间小麦种子的有氧呼吸速率。

解析：根据物理学中平均速率的含义，平均速率等于通过一段位移除以通过这段位移用的总时间。因此有氧呼吸速率=5.5 mL/25 min=0.22 mL/min。

点拨：当实验设计取样间隔相同时间，有不同的变化量时，实验过程中的不同时间段会有不同的速率，若求整个实验过程的平均速率，应借助物理学中对平均速率的定义进行计算，而不是不同时间不同速率的平均值。

3.简化模型 解决光合作用过程中条件骤变时的物质变化

例题：在光照、CO2浓度和温度等都适宜的条件下，某绿色植物叶肉细胞内的NADPH、ATP、C3与C5等的相对含量较为稳定。若降低CO2浓度，则该植物叶肉细胞内NADPH、ATP、C3与C5短时间内的变化趋势为________。

错因分析：学生认为降低CO2浓度，导致C5生成C3减少，C3减少后被NADPH还原减少，导致C5生成减少，因此，C3减少，C5不变，C3减少，消耗的NADPH和ATP减少，NADPH和ATP的剩余量增加。故作出NADPH和ATP增加、C3减少、C5不变的错误判断。

解析：关于改变外界条件，判断叶肉细胞内NADPH、ATP、C3与C5含量的变化趋势时，可作一个光合作用暗反应的简化概念模型，如图4所示：

图4

根据简易概念图可知，降低CO2浓度，对称轴右侧是引起这些物质变化的主要矛盾。可认为右侧减慢，而左侧不变，故C3减少，C5增加。减少的C3消耗的NADPH和ATP减少，NADPH和ATP的剩余量增加。

点拨：解此题的关键是构建简化的暗反应概念模型，将C3和C5用对称轴平分，分析某因素变化后影响对称轴的一侧即可，短时间内另一侧假定不变。

4.半叶法实际光合速率的测定

例题：某研究小组利用半叶法测定实际光合速率，将叶片均匀分为两半，一半光照2 h后烘干称重为a g，另一半在黑暗处2 h后烘干称重为b g。如图5所示，则该叶片的实际光合速率为________。

图5

错因分析：这类题学生常容易忽略叶片的原始重量，误认为光照下的干重是2 h光合作用的增加量，即净光合速率为a/2，黑暗下的干重是2 h细胞呼吸消耗的减少量，即呼吸速率为b/2。因此实际光合速率为a/2+b/2。

解析：由于原始干重未知，所以净光合速率不为a/2，呼吸速率不为b/2。可设原始干重为x g。则净光合速率=(a-x)/2，呼吸速率=(x-b)/2。实际光合速率=净光合速率+呼吸速率。则有净光合速率+呼吸速率=(a-x)/2+(x-b)/2=(a-b)/2。

点拨：呼吸速率和净光合速率都可在一段时间内测定有机物的变化量，再通过计算获得。当原始物质量未知时，可设一个未知数，最后再设法将未知数消去。

5.光补偿点和光饱和点移动问题

例题：如图6为某植物在一定温度下光合作用强度随光照强度的变化关系。若适当升高温度使光合作用强度和呼吸作用强度都增加，且升高温度对光合作用的影响小于对呼吸作用的影响(假设CO2浓度不变，原光照强度不变)，则适当升温后，理论上b点，c点移动方向应该是________。

图6

错因分析：图6中显示植物CO2吸收速率随光照强度的变化关系，当自变量与因变量一对一时，分析起来还相对容易。当分析多种因素影响时，则容易作出错误的判断。

解析：根据补偿点和饱和点的含义，光照强度为b时，该植物的实际光合速率=呼吸速率，即净光合速率=0。当升高温度使呼吸速率增加幅度大于实际光合速率增加幅度时，只有增大光照强度才能使得实际光合速率增加后等于呼吸速率。而增加温度使暗反应速率增加，也必然促进光反应增加，使光反应所需要的光照强度增大。因此，b点右移，c点右移。

点拨：由上分析可得出结论：补偿点与净光合速率呈负相关，饱和点与实际光合速率呈正相关。遇到此类问题时，利用规律可直接作出准确的判断。

6.多变量下CO2吸收速率随时间变化的问题

例题：如图7为一昼夜某植物CO2吸收速率的变化曲线，若a点与b点时的温度相等，则a点时的光照强度________(填“大于”“小于”或“等于”)b点时的光照强度。

图7

错因分析：由于a、b两点的CO2吸收速率均为0，则a点的实际光合速率=a点呼吸速率，b点的实际光合速率=b点的呼吸速率。一般认为呼吸速率受温度影响，a、b两点温度相等，则认为a、b两点的呼吸速率相等，推测a、b两点的实际光合速率相等，而作出a点的光照强度等于b点光照强度的错误判断。

解析：根据曲线可知，a点实际光合速率=a点呼吸速率，b点实际光合速率=b点呼吸速率。影响呼吸速率与光合速率变化在一天中是多方面的，除了温度外，还有气体条件和光照强度等。虽然a点与b点时的温度相等，但O2浓度和CO2浓度不同。由于b点时的O2浓度高，CO2浓度低，所以b点时的呼吸速率大于a点，因此a点的实际光合速率小于b点。而a点的CO2浓度高于b点，温度又相等，只有光照强度小于b点才能满足a点的实际光合速率小于b点这一结果。因此，a点的光照强度小于b点。

点拨：分析多因素下不同补偿点的某一外界条件关系时，除指定的外界条件外，应更加关注其他因素对不同补偿点时相关代谢的影响，进而作出准确的判断。

7.密闭容器内光合作用和细胞呼吸综合题解题策略

例题：如图8为科研人员测得两个密闭容器内甲、乙两种盆栽植物在适宜光照和适宜温度的条件下，容器内的CO2浓度随时间的变化关系曲线：

图8

(1)开始一段时间内随CO2浓度下降，该植物的光合速率如何变化？

错因分析：正常情况下，植物一般随CO2浓度下降，光合速率下降，因此学生很容易作出这样的错误判断。实际上学生的知识库中存在随CO2浓度变化，植物光合速率变化的曲线模型，只是没有与这个问题联系起来。

解析：画出随CO2浓度的变化，植物光合速率变化的曲线模型，如图9所示：

图9

根据这个数学模型很容易判断初始一段时间内，若实验时CO2浓度的起点在Q点右侧，则随着CO2浓度的下降，光合速率不变；若实验时CO2浓度的起点在Q点或Q点左侧，则随着CO2浓度的下降，光合速率减小。

点拨：解答此类问题时，应在自己的知识库中搜索与之相关的曲线模型，然后将相关知识迁移到需要解答的问题中来，才能作出准确的判断。

(2)在两曲线相交即B点时，甲乙两种植物的净光合速率大小关系如何？

错因分析：在曲线相交时，往往直观判断，认为此时，甲乙两种植物的净光合速率相等。

解析：实际上两曲线相交时，直接表示为当横坐标为某一点时，纵坐标相等。即交点B表示此时两个容器内的CO2浓度相等。净光合速率可以用单位时间内CO2吸收量来表示，即单位时间内容器内CO2浓度的减少量。因此在B点时的斜率即为净光合速率，显然B点时乙植物的斜率大于甲植物。因此B点对应时刻，乙植物的净光合速率大于甲植物的净光合速率。