生物學(xué)的低效率事件及其對(duì)策

張小春

[摘要]生物學(xué)中有許多效率較低的事件或過程，本文結(jié)合自己教學(xué)中所碰到的常見的幾個(gè)效率較低的事件進(jìn)行歸納，并簡(jiǎn)要寫出了對(duì)策。

[關(guān)鍵詞]生物學(xué)；低效率；對(duì)策

仔細(xì)研究各地的高考題和優(yōu)秀的調(diào)研試題，不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在總結(jié)歸納型的題目出現(xiàn)得越來越多，因?yàn)閷W(xué)習(xí)之后的歸納也是一種基本的能力，在此我就簡(jiǎn)單的總結(jié)一下高中生物學(xué)科中常見的幾個(gè)效率低的事件和常見的對(duì)策，權(quán)當(dāng)拋磚引玉罷了。

1.葉綠體中色素對(duì)光的利用率

葉綠體中的色素包括葉綠素和類胡蘿卜素兩大類，前者主要吸收藍(lán)紫光和紅光，后者主要吸收藍(lán)紫光，一般情況下光合作用所利用的光都是可見光，這大約只占太陽(yáng)輸送到地球表面太陽(yáng)能的1％。這其中有一部分被反射并散失到空中，有一部分透過葉子而沒有被吸收，被葉子吸收的太陽(yáng)能，大部分變成熱能，只有極少部分才被光合作用利用。

對(duì)策：要提高光能利用率，主要可以通過延長(zhǎng)光合時(shí)間(提高復(fù)種指數(shù)、補(bǔ)充適宜的人工光照)、增加光合面積(合理密植、改變株型)和加強(qiáng)光合效率(適當(dāng)提高CO₂濃度、降低光呼吸、多種C4植物)。

2.呼吸作用中分解釋放能量轉(zhuǎn)化為ATP中活躍的化學(xué)能的比例

以葡萄糖為例，在人體內(nèi)，1mol的葡萄糖在徹底氧化分解以后，共釋放出2870kJ的能量，其中有1161kJ左右的能量?jī)?chǔ)存在ATP中(38個(gè)ATP)，其余的能量都以熱能的形式散失了。1mol的葡萄糖無氧呼吸后，共放出196.65kJ的能量，其中有61.08kJ的能量?jī)?chǔ)存在ATP中(2個(gè)ATP)，其余的能量都以熱能的形式散失了。有氧呼吸和無氧呼吸分解釋放能量轉(zhuǎn)化為ATP中活躍的化學(xué)能的比例分別為40.45％和31.06％。

對(duì)策：生物在進(jìn)化的歷程中是先有無氧呼吸，等藍(lán)藻出現(xiàn)之后，便衍化出了能夠進(jìn)行有氧呼吸的好氧型生物。

3.基因突變的低頻性

在高等生物中，大約105-108個(gè)生殖細(xì)胞中才有一個(gè)生殖細(xì)胞發(fā)生基因突變。再比如大腸桿菌，在適宜條件下，生長(zhǎng)1-2d的大腸桿菌，DNA復(fù)制的錯(cuò)誤率約為10-9。

對(duì)策：雖然基因突變的頻率很低，但是當(dāng)一個(gè)種群內(nèi)有許多個(gè)體時(shí)，就可能產(chǎn)生各種各樣的隨機(jī)變異，足以提供豐富的可遺傳變異。在人類誘變育種中，為了提高突變頻率，可以采用人工誘變或太空育種等措施。

4.物種的形成

物種是指分布在一定的自然區(qū)域，具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能，而且在自然狀態(tài)下能夠相互交配和繁殖，并--能夠產(chǎn)生出可育后代的一群生物個(gè)體。判斷一個(gè)物種是不是進(jìn)化形成了一個(gè)新的物種，一般的標(biāo)準(zhǔn)是看是否形成了生殖隔離。而通過自然界的進(jìn)化達(dá)到生殖隔離是一個(gè)十分緩慢的過程。

對(duì)策：有時(shí)候?yàn)榱丝焖佾@得一個(gè)滿足人類需求的具有某些特殊性狀的新物種，我們可以借助一些科技手段，比如“番茄——馬鈴薯”、“白菜——甘藍(lán)”的獲得就采用了植物細(xì)胞工程；再比如三倍體的無籽西瓜我們可以通過多倍體育種來獲得。

5.生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的傳遞效率

一般來說，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，能量在相鄰兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的傳遞效率大約只有10％——20％。其他大部分最終都以熱能的形式散失掉。

對(duì)策：上述所說的傳遞效率大約只有10％——20％指的是自然生態(tài)系統(tǒng)，而人類生產(chǎn)生活中，為了提高能量的利用率，我們可以使得能量的傳遞效率大于20％，從而創(chuàng)造出更多的社會(huì)財(cái)富。有時(shí)我們可能無法提高能量的傳遞效率，但是我們可以通過生態(tài)農(nóng)業(yè)等手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的多級(jí)利用，從而大大提高能量的利用率。我們還可以研究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)，盡量使能量流向持續(xù)高效的流向?qū)θ祟愖钣幸娴牡胤健?/p>

6.基因工程中目的基因與載體的拼接

由同一種限制酶切割目的基因和運(yùn)載體，重組連接可能產(chǎn)生以下幾種結(jié)果：目的基因之間的連接、載體DNA之間的連接、載體DNA頭尾之間的相互連接、載體DNA與目的基因之間的連接等。明顯可見，重組DNA種類很多，給基因工程的后續(xù)步驟帶來了很大的工作量，有些重組DNA甚至?xí)蓴_目的基因的正常轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。

對(duì)策：科學(xué)家通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，通過兩種或兩種以上的不同的限制酶分別切割目的基因和載體，使載體和目的基因兩側(cè)為不同的末端，此時(shí)可以減少自身環(huán)化。而只能在DNA連接酶的作用下實(shí)現(xiàn)有效的載體與目的基因的拼接，實(shí)驗(yàn)效率大大提高。

7.動(dòng)植物細(xì)胞的融合效率低

在細(xì)胞工程中，為了獲得雜種細(xì)胞，我們一般要進(jìn)行細(xì)胞的融合，而細(xì)胞融合是比較困難：其一、植物細(xì)胞和原核細(xì)胞表面有層細(xì)胞壁的阻隔，動(dòng)物細(xì)胞之間有多種粘黏蛋白；其二、原生質(zhì)體之間的細(xì)胞識(shí)別是有特異性的，一般情況下不同物種的細(xì)胞其原生質(zhì)體一般是不能自發(fā)融合的：其三、融合后形成的細(xì)胞種類是很多樣的。比如說就是番茄和馬鈴薯原生質(zhì)體的融合，最終可能會(huì)存在3大類原生質(zhì)體：未融合的單獨(dú)的番茄和馬鈴薯原生質(zhì)體、同核原生質(zhì)體(由同一親本細(xì)胞融合而得)和異核原生質(zhì)體。

對(duì)策：就上述困難一，我們可以采用酶解法去除細(xì)胞壁和粘黏蛋白；就困難二，我們可以采用人工誘導(dǎo)，比如植物細(xì)胞的融合可以采用物理法(包括離心、振動(dòng)、電激)和化學(xué)法(一般是用聚乙二醇；PEG)，動(dòng)物細(xì)胞融合還可以采用滅活的病毒來誘導(dǎo)，另外我們還可以利用太空的微重力來提高細(xì)胞融合的效率；就困難三，我們可以通過篩選的辦法，獲得我們想要的雜種細(xì)胞，主要有非選擇性篩選和選擇性篩選兩大類方法(抗藥性篩選、營(yíng)養(yǎng)缺陷型篩選、溫度敏感型篩選等)。

[參考文獻(xiàn)]

[11朱正威，趙占良，等.2004普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書一分子與細(xì)胞(必修1).北京：人民教育出版社，98-99

[2]潘瑞熾.2001植物生理學(xué)(第四版).北京：高等教育出版社，97-98

[3]姜愛麗.2010.中學(xué)生物教學(xué)，1-2，41-42