現(xiàn)行新世紀義務教育課程標準實驗教科書北京師范大學版生物學,第五章“綠色開花植物的生活方式”第二節(jié)“呼吸作用”中,第一部分內容“觀察植物的呼吸現(xiàn)象”,教材中安排了三個演示實驗:“種子萌發(fā)時吸收氧氣”、“種子萌發(fā)時釋放二氧化碳”、“種子萌發(fā)時釋放能量”。通過這三個演示實驗,分別得出結論:“萌發(fā)種子進行呼吸時吸收氧氣”、“萌發(fā)種子進行呼吸時釋放二氧化碳”、“萌發(fā)種子進行呼吸時產(chǎn)生熱量”。對于前兩個結論還可以說得通,但對于第三個結論,不論怎樣講,筆者認為是不妥的,因為熱量不是萌發(fā)種子進行呼吸產(chǎn)生的,而是萌發(fā)種子細胞內旺盛的呼吸作用所產(chǎn)生的。教材接著總結說:“上述實驗的結果表明,萌發(fā)種子進行呼吸作用時,不但吸收氧氣,釋放二氧化碳,而且會產(chǎn)生熱量?!庇纱丝梢姡@里教材沒有處理好“呼吸作用”和“呼吸”兩個概念的區(qū)別,而把兩者等視為一個概念使用,這樣容易讓學生對兩者產(chǎn)生混淆,是有失科學性的。
我們知道,“呼吸作用”和“呼吸”是生物學中的兩個重要概念,兩者既有聯(lián)系,又有本質區(qū)別,不能隨意混同。筆者認為,新課程教學改革,在倡導采用靈活多樣的教學方法、運用現(xiàn)代先進的技術手段,在加快學生的認知速度、擴大學生知識層面的同時,斷不可忽視或削弱對必要的、基本的生物學概念的教學要求。下面筆者就“呼吸作用”和“呼吸”與同仁進行探討,以便我們進一步理解和區(qū)別兩者。
呼吸作用是一切生活細胞所共有的生命活動。在整個生物界,除病毒外,所有原核生物(包括細菌、藍藻、放線菌、支原體、立克次體、衣原體等)和真核生物(包括原生動物、綠藻和一切多細胞的動物、植物等),它們的生活細胞都必須進行呼吸作用。呼吸作用是使生物獲得生命活動所需要能量的重要生理作用。從物質轉變的基本特點來看,呼吸作用是細胞內的有機物在多酶體系的催化下的生物氧化過程,因此,它和細胞內的其他分解作用,常被人們叫做異化作用。從生命活動的能量供應來看,它是一切生活細胞獲得所需自由能量的基本途徑,因為細胞內有機物質氧化分解所放出的化學能量,主要以ATP的形式直接作用到代謝過程和生長發(fā)育中去。任何活的細胞都不停地進行呼吸作用,呼吸作用停止就意味著細胞的死亡。呼吸作用還能為其他化合物(蛋白質、核酸、脂類等)的合成提供原料,如呼吸作用的中間產(chǎn)物中有各種酮酸,它們經(jīng)過氨基化作用,可以合成氨基酸,進一步合成蛋白質。
總之,理解呼吸作用,要從細胞入手,它是一個極其復雜的生物化學過程,是生物極其重要的生理過程,無論從能量代謝方面看,還是從物質代謝方面看,都可以把呼吸做用當做是生物新陳代謝的中心環(huán)節(jié)。
生物新陳代謝的基本類型,按異化作用方式劃分,事實上就是按呼吸作用是否有氧參與來進行劃分,可分為兩大類,即需氧型(有氧呼吸型)和厭氧型(無氧呼吸型)。需氧型生物必須不斷地從外界環(huán)境中攝取氧來氧化分解自身的組成物質,以釋放能量,放出二氧化碳,一些微生物、絕大多數(shù)植物、幾乎所有的動物都是需氧型的。厭氧型生物,在缺氧的環(huán)境中,依靠酶的作用使有機物分解,以獲得進行生命活動所需的能量,厭氧型生物見于少數(shù)低等生物,如絳蟲、蛔蟲等寄生蟲,乳酸菌、硝酸鹽還原菌等微生物。
我們須注意,在微生物學中,把生物氧化過程中不需氧參與的一種形式叫發(fā)酵,另一種形式則叫無氧呼吸,前者類型的微生物以有機物為最終電子受體進行生物氧化過程,如啤酒酵母的乙醇發(fā)酵、乳鏈球菌的乳酸發(fā)酵等;后者在生物氧化時是以除氧以外的無機物作為最終電子受體,如硝酸鹽還原菌的反硝化作用、硫酸鹽還原菌的反硫化作用。微生物中的某些類型,在有氧或缺氧時都能自如地以不同方式進行生物氧化過程,如酵母菌在缺氧時進行乙醇發(fā)酵,在有氧時則進行有氧呼吸。
高等動、植物可以局部地、暫時地進行無氧呼吸。例如,人在進行劇烈運動時,骨骼肌因暫時缺氧,可出現(xiàn)無氧呼吸。在水淹情況下,高等植物的根系細胞,因土壤缺氧,可以暫時進行無氧呼吸。
呼吸是指生物體通過一定的結構和外界環(huán)境進行氣體交換的過程。換句話說,就是生物體通過一定的結構從外界環(huán)境獲得氧,并向外界環(huán)境釋放二氧化碳的過程。
單細胞的原生動物生活在水中,它們可以通過體表直接與水進行氣體交換,即通過細胞膜進行呼吸。
低等水生的多細胞無脊椎動物,如腔腸動物、扁形動物、線形動物等。它們的身體都沒有專門的呼吸器官,其呼吸機能是通過整個體表進行氣體交換,其中腔腸動物如水螅、水母等還借消化腔中出入的水流進行氣體交換。水生橈足綱節(jié)肢動物,身小體薄,它們也是利用整個體表來交換氣體的。軟甲綱等足目節(jié)肢動物,常在腹部的游泳足上保留薄的角質膜以進行呼吸。
較大而活躍的水生無脊椎動物,當其呼吸膜的表面積不能提供足夠的氧氣而需要加強氣體交換時,其身體的某一部分表面,出現(xiàn)了專門的呼吸器官——鰓。如水棲寡毛類、鰓蛭等少數(shù)蛭類的環(huán)節(jié)動物,身體都有鰓結構。另外,大多數(shù)軟體動物,高等甲殼類動物,都能靠水流過鰓腔時,通過鰓完成呼吸。
陸生無脊椎動物,如環(huán)節(jié)動物蚯蚓,通過濕潤的皮膚進行氣體交換。有些動物的鰓可在濕潤的空氣中進行呼吸,如有些螯蝦能在夜晚短時期內離開水到陸地上來覓食,有些小型陸生甲殼類能在濕潤的石塊下生活。氣管系統(tǒng)是陸生節(jié)肢動物最普通和最有效的呼吸系統(tǒng),那些飛翔力強的昆蟲在它們的氣管干上往往擴大成氣囊,當它借肌肉收縮時氣囊的壓縮和伸張能促進通氣作用。陸生蝸牛的鰓退化,而在外套膜的內壁上密布著無數(shù)血管網(wǎng)并擴大成“肺室”,適于在空氣中呼吸。此外蛛形綱的書肺是由很多薄膜狀的鰓片重疊排列如書頁狀,空氣與薄膜直接接觸,以進行氣體交換。
寄生的無脊椎動物,如絳蟲、蛔蟲、血吸蟲等,一般是利用無氧呼吸途徑來維持低水平的代謝,有的可從宿主血液中吸取所需的氧,它們沒有專門的呼吸器官。
脊椎動物中,魚類用鰓呼吸,氣體交換在水與鰓內的血液間進行。兩棲類的幼體生活在水中,通過鰓交換氣體,成體用肺呼吸,還能通過皮膚交換氣體以補充肺呼吸之不足,有些無肺的有尾兩棲類用鰓和皮膚交換氣體。爬行類、鳥類、哺乳類動物都是通過肺進行呼吸的。
必須指出,對于植物,雖然也進行“呼吸”,即為了有氧呼吸從外界吸入氧并排出二氧化碳。但是,一方面由于植物體內不像動物那樣有專門的呼吸器官或結構;另一方面由于植物體內有較為復雜的氣體交換情況。比如,被子植物葉片表面上有大量氣孔存在,氣孔是植物進行氣體交換的通道,在有光的白天通過它主要吸入二氧化碳,釋放出氧,在夜晚主要吸入氧,釋放二氧化碳。我們知道,植物細胞每時每刻都進行著呼吸作用,而在白天有光時,由于受強烈的光合作用的掩蓋,所以白天主要是吸入二氧化碳,釋放氧。因此,對于植物來說,我們通常只說明與其呼吸作用有關的氣體交換情況,而并不使用“呼吸”這一概念。
總之,生物的呼吸要從器官、個體的角度來理解,它是一個生物物理過程,它的根本意義在于,為生物體進行有氧呼吸(呼吸作用的重要方式)提供氧,并把呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳排出體外。
(通渭縣第二中學)