逍遥学能 2014-03-18 11:55
在当前公认的唯一公平的高考选拔制度下，应试已成为必然。在高考备考的过程中，众多科学方案实为编辑题海，所谓“素质教育”似为“应试素质培训”。怎样从应试的操作中营造科学素养的莲心，本文试图从一些经典生物范例的处理中寻找突破梏槁的奇点。
1．材料一
关于C4植物和C3植物对CO2的固定的叙述，正确的是( )
A．C3植物对CO2的固定需要能量，C4植物对CO2的固定不需要能量
B．C3植物对CO2的固定不需要能量，C4植物对CO2的固定需要能量
C．C4植物和C3植物固定CO2的场所完全相同
D．C4植物和C3植物对CO2的固定都发生一次
标准答案：B
常见解析：C4植物的C3途径与C3植物的C3途径完全相同，只要有CO2、有酶、有C5（核酮糖－1,5－二磷酸，简写RuBP）不需消耗能量就能够把CO2固定而形成C3； C4植物的C4途径固定CO2，需磷酸烯醇式丙酮酸（简写PEP）参与，PEP固定CO2时不需要消耗能量，但PEP的形成却需要消耗能量，这时所消耗的能量不用于C3的还原，只能认为是用于CO2固定。
该命题有两个疑点：一是CO2固定的需能问题，二是参与固定CO2的底物生成条件问题。概括来讲，光合作用的暗反应包括CO2的固定和C3的还原两个过程。C3植物和C4植物及景天科植物的C3途径完全相同，其中CO2的固定是CO2和RuBP 在RuBP羧化酶作用下的羧化反应，C4植物和景天科植物的C4途径是CO2和PEP在PEP羧化酶作用下的羧化反应。这两个反应均不消耗能量；由于必修教材没有显示C5（RuBP）形成的需能过程，选修教材显示了PEP形成的需能过程，这就造成命题者在没有掌握准确资料的情况下，误导学生认为C5的形成不需能。实际情况是，在C3途径中， RuBP是由核酮糖－5－磷酸（R－5－P）在ATP和戊糖磷酸激酶作用下磷酸化形成的；在C4途径中，PEP是丙酮酸在ATP、磷酸和丙酮酸磷酸双激酶作用下磷酸化形成的。这两个反应均消耗能量。其实，若留意的话，2004年上海高考题光合作用示意图（右图）就是一个明显的提示。
事实证明，光合作用光反应产生的ATP至少还用于RuBP和PEP的形成而一定不用于CO2固定。所以，该命题C3植物、C4植物对CO2的固定需不需能问题立意本身就是错误的。正确的理解应为：C3 、C4植物对CO2的固定不需要能量，参与CO2固定的RuBP和PEP的形成需要能量。前者强调特定反应的独立过程，后者强调相关途径的完成条件。
2．材料二：
利用红外线测量仪可以灵敏地测量一个密闭小室（容积为1L）中的CO2浓度变化。在甲、乙两个密闭、透明玻璃小室中分别放置叶面积都是10cm3的A、B两种植物的叶片，在充足的光照条件下测量CO2 浓度变化（假设实验期间温度等条件适宜且不变），结果记录于下表：（CO2浓度mg/L）
表1
记录时间（min）
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
甲小室（A植物叶片）
150
110
75
50
35
18
8
8
8
8
乙小室（B植物叶片）
150
113
83
58
50
48
48
48
48
48
根据表中记录到的数据回答下列问题：
⑴从表中数据可以看出密闭小室中的CO2浓度变化的趋势是 先逐渐降低，后保持稳定 。
⑵从记录的结果看，实验的前5分钟，A、B两种植物叶片有机物的积累量之比为 40:37 。
解析：有机物的积累量（净光合量）之比即为室内CO2吸收量（）之比。据表：
A：B＝（150－110）：（150－113）＝40：37
⑶0～25min期间，影响光合作用强度的主要因素是 CO2浓度 。
解析：当记录时间在30～45min期间， CO2浓度维持在相同的水平上，其原因是叶片的光合作用和呼吸作用强度相等（或叶片光合作用吸收CO2量等于呼吸作用释放CO2量）。
据此探究该实验装置的特殊意义：
当光合作用吸收的CO2量等于呼吸作用放出的CO2量，此时外界CO2的数量就叫做CO2补偿点。由于当实验进行到一定阶段后，装置内CO2浓度一定会下降至一个恒定的水平，即叶片的光合速率和呼吸强度相等。此时，这个恒定的CO2浓度即为实验叶片在当前光照强度及温度下的CO2补偿点：如从实验数据表格中可以查出A植物叶片CO2补偿点为8mg/L,B植物叶片CO2补偿点为48mg/L，并能初步判断A、B植物类型（C3植物或C4植物）。由此推知，如果把实验叶片换为某种待测植物即可测定该植物在某种光照强度及温度下的CO2补偿点，并能初步判断该植物类型（C3植物或C4植物）。
⑷右图为植物叶片结构示意图。根据上表数据推测A植物相当于下图中的右图（填“左图”或“右图”）。其进行光合作用时，在维管束鞘细胞中形成淀粉。
⑸如果将大小相同、长势相似的A种植物和B种植物一起培养在同一个密闭的钟罩内进行实验，一段时间后，它们的生活状态是：A种植物生长良好 ， B种植物逐渐枯萎，最后死亡，原因是A植物能在较低CO2浓度下进行光合作用，B植物不能（或A植物固定CO2的能力比B植物强）．
据此探究培养过程中A、B两种植物生理活动详细变化
根据A、 B两种植物单独培养时生理活动的变化，当它们一起培养时，从光合作用和呼吸作用标志性变化可分为四个阶段：
第一阶段
A、B植物均光合作用大于呼吸作用,且A植物净光合速率大于B植物净光合速率。
如果把该装置理解为一个生态系统，那么A、B植物之间的关系为竞争( 争夺非生命物质和能量)。
解析：根据表1数据,在0-45min内叶面积都是10cm3的A、B两种植物的叶片净光合速率即CO2净吸收速率(mg/5min) 可制作表2数据:
0-45min净光合速率
0-5min
5-15
min
15-2
0min
20-25
min
25-30
min
30-35
min
35-40
min
A植物
40
35
25
15
17
10
0
B植物
37
30
25
8
2
0
0
据表2可知：在0-35min内A植物的叶片净光合速率一直大于或等于B植物，在竞争中处于有利地位。
第二阶段
Ａ植物光合速率大于呼吸速率,其光合作用固定的CO2的来源有二：自身呼吸作用、环境剩余；
Ｂ植物光合速率等于呼吸速率，且达到这一状态比单独培养时为早, 随后光合速率逐渐减弱。
此时Ａ、Ｂ植物之间的关系仍为竞争（争夺非生命物质和能量）
第三阶段
Ａ植物光合速率仍大于呼吸速率，其光合作用固定的CO2的来源有三：自身呼吸、环境剩余、Ｂ植物释放。
Ｂ植物光合作用停止,仅进行呼吸作用,此时Ｂ植物CO2释放量达到最大值，且呼吸作用随着呼吸底物消耗变得越来越小。
此时，从Ａ、Ｂ植物之间的关系来看，Ｂ植物开始成为“被捕食者”（提供CO2给Ｂ植物）。
第四阶段
Ａ植物光合速率等于呼吸速率。且达到这一状态比单独培养时间推迟，因为这建立在B植物死亡之前一直提供CO2的基础上 。
B植物呼吸停止 (成为非生命物质) 。
预期一：如果一直照光,从理论上讲，Ａ植物将能存活较长时间,但不能继续生长发育,因为此时植物光合速率等于呼吸速率,没有有机物积累。
预期二：如果不照光或照光时间短，玻璃罩内氧气消耗完后,植物将进行无氧呼吸,直接后果是：
1．产能少（1个葡萄糖氧化只能形成2个ATP），为维持正常代谢，需消耗更多有机物。
2．第一阶段产生的丙酮酸不能进入线粒体完成三羧酸循环，许多中间产物无法合成。
3．酒精（丙酮酸在细胞质中脱羧最终被还原为酒精）积累，使细胞质蛋白质变性失活。
4．若继续培养，植物最终死亡。
该装置曾被用于同室“效应”法选种
把C4植物（如高梁）与要筛选的C3植物（如水稻等不同品种或辐射处理的同一品种或与C4植物杂交遗传性动摇的杂种）共同种植在该装置中。由于C3植物的CO2补偿点高，C4植物的CO2 补偿点低，所以C3植物（如水稻等秧苗）缺乏CO2而致饥饿，先行死亡，而C4植物（如高梁等幼苗）在一定范围的CO2浓度下仍然生长正常。如果其中个别C3植物的植株能忍受低CO2浓度，即能生存下去，便选出低CO2补偿点植株。
3．材料三：
（06四川）将川芎植株的一叶片置于恒温的密闭小室，调节小室 CO2 浓度，在适宜光照强度下测定叶片光合作用的强度（以 CO2 吸收速率表示），测定结果如下图。下列相关叙述，正确的是
A．如果光照强度适当降低，a 点左移，b 点左移
B．如果光照强度适当降低，a 点左移，b 点右移
C．如果光照强度适当增强，a 点右移，b 点右移
D．如果光照强度适当增强，a 点左移，b 点右移
解析：本高考题尽管常见于教辅资料，但常疏于明确解析。分析题干信息，该题讨论的是改变适宜光照强度后光补偿点（a点，此时光合作用速率与呼吸作用速率）和CO2饱和点（b点，此后适度增加CO2浓度，光合速率不再增加）的变化问题。
1．随着光照强度的增加，环境温度亦逐渐升高。就光照强度来说，光合作用速率及光呼吸速率均随着光照强度的增加而增加，基本上呈平行关系；就环境温度来说，光合作用速率与暗呼吸的速率亦随着环境温度升高而升高，这取决于酶活性的升高，只是前者的最适温度（25－30℃）略低于后者（25－35 ℃ ）。
2．仅从一般推测可知，适宜光照强度下，植物的光合作用速率应远大于呼吸作用速率，因为只有积累足够的营养物质，植物才能正常发育。所以，光照强度变化影响光合作用速率应远大于呼吸作用速率。
3．1 依据以上述结论，如果光照强度适当降低，光合作用速率的降低应远大于呼吸作用速率。此时只有在较高的CO2浓度才能保持光合作用速率等于呼吸作用速率。所以a点右移。该分析是基于怎样改变CO2浓度影响光合作用使其与呼吸作用相等的。
3．2 换个角度，若从改变CO2浓度影响呼吸速率使其与光合速率相等亦能得到a点右移的结论：因为光照强度适当降低，光合作用速率的降低远大于呼吸作用速率，根据呼吸作用反应式：C6H12O6＋6O2＋6H2O 高中化学 → 6CO2＋12H2O＋能量
当CO2浓度较高时，O2浓度较低，刚好抑制正反应促进逆反应，呼吸速率下降，使呼吸速率与光合速率相等成为可能，所以a点右移。
显然，两种思路得到相同的结果，我们有理由认为a点右移是光合速率和呼吸速率同时变化的结果。
4．同样，由于受光照强度适当降低光反应产物减少的限制，用于被还原的C3在较低的CO2浓度下即可足量生成，所以b点左移。
5．同理，如果光照强度适当增强，a点左移，b点右移 。所以答案为D。
主要参考书目
潘瑞炽 董愚得编，植物生理学，第二版，高等教育出版社，1982：106－110，142－143
高煜珠 王忠， 关于光呼吸与光合作用关系的研究──Ⅱ 环境因素对光合作用的影响及其与光呼吸的关系，植物生理与分子生物学学报，1982，04