摘 要 以能量的觀點(diǎn)來認(rèn)識生命現(xiàn)象和揭示生命的本質(zhì)，是引導(dǎo)學(xué)生正確理解生物學(xué)原理的一種方法。從能量的變化的視角來揭示生命的一般規(guī)律，旨在為學(xué)生的學(xué)習(xí)尋求新的途徑。

關(guān)鍵詞 高中生物學(xué)學(xué)習(xí) 能量觀點(diǎn)

中圖分類號Q-49

文獻(xiàn)標(biāo)識碼E

能量的觀點(diǎn)是指在高中生物學(xué)教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生從能量的視角來詮釋生命活動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而揭示生命活動(dòng)的規(guī)律。

1 根據(jù)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸是否消耗能量，判斷物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)方式

能量用于生命活動(dòng)時(shí)表現(xiàn)為原有能量減少的現(xiàn)象稱為能量的消耗。對細(xì)胞膜的物質(zhì)運(yùn)輸而言，其跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞接?種：被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。而被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)又分為自由擴(kuò)散和易化擴(kuò)散。二氧化碳、氧氣和甘油等物質(zhì)出入細(xì)胞的方式為自由擴(kuò)散；葡萄糖等物質(zhì)通過紅細(xì)胞膜屬于易化擴(kuò)散。無論是自由擴(kuò)散還是易化擴(kuò)散都不需要消耗細(xì)胞代謝所釋放的能量。一些無機(jī)鹽離子、氨基酸、葡萄糖等物質(zhì)通過小腸上皮細(xì)胞屬于主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，而主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是消耗能量的。因此可以說，根據(jù)物質(zhì)通過細(xì)胞膜是否消耗了能量，便可以判斷物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞剑杭聪牧四芰康目缒み\(yùn)動(dòng)就是主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，未消耗能量的跨膜運(yùn)動(dòng)是被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（胞吞和胞吐雖消耗能量，但并非是跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)）。

2 根據(jù)捕食食物鏈中的能量傳遞效率，判斷l(xiāng)條食物鏈中營養(yǎng)級的數(shù)量

食物鏈和食物網(wǎng)是生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。在生態(tài)系統(tǒng)中由于動(dòng)物取食的多元性，使得食物鏈彼此相互交錯(cuò)，形成了復(fù)雜的食物網(wǎng)。食物網(wǎng)客觀、真實(shí)地反映了各營養(yǎng)級的生物之間的捕食關(guān)系。由于生物之間的捕食與被捕食的關(guān)系必然會造成生物體內(nèi)能量的變化。生態(tài)系統(tǒng)的十分之一定律指出，在一條食物鏈相鄰的兩個(gè)營養(yǎng)級中，由上一個(gè)營養(yǎng)級傳遞給下一個(gè)營養(yǎng)級的能量大約是在1/10-1/5之間，而大部分的能量被上一個(gè)營養(yǎng)級的生物所消耗，因此伴隨著營養(yǎng)級數(shù)量的遞增，實(shí)際可利用的能量越來越少，當(dāng)?shù)降谖鍫I養(yǎng)級時(shí)，該營養(yǎng)級獲得的能量大約是0.01～0.16林德曼單位，而這些能量則不足以維持這個(gè)營養(yǎng)級的生物進(jìn)行生長、發(fā)育、繁殖等生命活動(dòng)的需要了。因此通常說，在一條食物鏈中其營養(yǎng)級的數(shù)量一般不會超過5個(gè)。即便是有達(dá)到或超過5個(gè)營養(yǎng)級的，那是因?yàn)樵谏鷳B(tài)系統(tǒng)中單純的食物鏈?zhǔn)遣淮嬖诘?，由于?dòng)物取食的多元性，取食關(guān)系往往呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從甲條食物鏈上看達(dá)到了5個(gè)，但從乙條食物鏈：看它的營養(yǎng)級可能是2或3，因此綜合起來看，傳遞下來的能量還是能滿足這個(gè)營養(yǎng)級的生物進(jìn)行生命活動(dòng)需要的。3根據(jù)能量過剩原理?？芍镌谏鷳B(tài)位重疊時(shí)也能生存

從種內(nèi)關(guān)系上看，既有種內(nèi)互助，也有種內(nèi)斗爭。同種生物個(gè)體之所以進(jìn)行斗爭，歸根到底與能量有直接關(guān)系。人們通常所說的“一山不能存兩虎”，就是因?yàn)槟芰坎蛔愣鴮?dǎo)致的種內(nèi)斗爭。

在種間關(guān)系方面，依然存在互助與競爭.當(dāng)兩個(gè)物種利用同一資源時(shí)就會造成生態(tài)位重疊。在兩個(gè)物種的生態(tài)位完全重疊時(shí)，競爭優(yōu)勢較大的物種就會將競爭優(yōu)勢較小的物種完全排除掉，在生態(tài)學(xué)上叫做競爭排除原理。生態(tài)位重疊的完全排除原理指出，只有當(dāng)兩個(gè)物種的生態(tài)位完全重疊時(shí)，才會造成一種生物被另一種生物完全排除掉。如果在食物（能量）及空間富裕的情況下，它們之間仍然可以實(shí)現(xiàn)“和諧相處”，例如蜜蜂的采蜜，這就是說，生態(tài)位重疊本身不一定伴隨著競爭，只有當(dāng)資源（能量）短缺時(shí)才會發(fā)生競爭。4根據(jù)生物內(nèi)能轉(zhuǎn)化原理，判斷生化反應(yīng)類型

能量的釋放、貯藏和利用稱為生物的能量代謝。從物質(zhì)代謝角度看，能量代謝側(cè)重分解代謝，但細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)是極其復(fù)雜的，往往合成代謝中存在分解代謝，而分解代謝中也包含合成代謝。細(xì)胞中進(jìn)行的一系列的生物化學(xué)反應(yīng)中，有些反應(yīng)是吸能反應(yīng)，有些則是放能反應(yīng)。

細(xì)胞中許多吸能反應(yīng)需要的能量來自細(xì)胞中的放能反應(yīng)。所有細(xì)胞中最重要的放能反應(yīng)是糖的氧化。糖的徹底氧化是分步驟進(jìn)行的。這種糖的氧化通常稱為細(xì)胞呼吸。細(xì)胞呼吸是生物體細(xì)胞中最重要的放能反應(yīng)。

細(xì)胞之所以會發(fā)生吸能反應(yīng)，是因?yàn)楣夂袭a(chǎn)物分子中的勢能比反應(yīng)物分子中的勢能高。比如由氨基酸合成蛋白質(zhì)的反應(yīng)就是吸能反應(yīng)。吸能反應(yīng)所需要的能量來自放能反應(yīng)。光合作用是綠色植物細(xì)胞中最重要的吸能反應(yīng)。反應(yīng)物（二氧化碳和水）含有的勢能低，而產(chǎn)物（主要是糖）則含有較高的勢能。由此可以判斷，反應(yīng)物的勢能高生成物的勢能低，是放能反應(yīng)。反應(yīng)物的勢能低生成物的勢能高，屬于吸能反應(yīng)。聯(lián)系吸能反應(yīng)和放能反應(yīng)的橋梁是高能化合物——ATP。還可以根據(jù)能量變化來進(jìn)一步判斷生物化學(xué)反應(yīng)的類型，一般來說，吸能反應(yīng)是在進(jìn)行合成代謝，如果是放能反應(yīng)，一般可以判斷為分解代謝。 5 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理。判斷生命活動(dòng)類型

5.1 “電能一化學(xué)能一電能”轉(zhuǎn)換模式

神經(jīng)元之間的聯(lián)系有2種形式：化學(xué)突觸和電突觸。其中化學(xué)突觸比較普遍。在光學(xué)顯微鏡下觀察，可見一個(gè)神經(jīng)元的軸突末梢經(jīng)過多次分支，最后每一個(gè)小枝的末端膨大呈現(xiàn)球狀或杯狀，叫做突觸小體。這些突觸小體可以與多個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞體、樹突（有時(shí)也可以是軸突）相連，形成突觸。在電子顯微鏡下觀察可以看到突觸是由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜三部分構(gòu)成。突觸小體內(nèi)靠近前膜處含有大量的突觸小泡，小泡內(nèi)含有化學(xué)遞質(zhì)。當(dāng)興奮通過軸突傳導(dǎo)到突觸小體時(shí)，突觸小體內(nèi)的突觸小泡就將化學(xué)遞質(zhì)釋放到突觸間隙中，使得另一個(gè)神經(jīng)元興奮或抑制。這樣興奮就從一個(gè)神經(jīng)元通過突觸而傳遞給另一個(gè)神經(jīng)元了。在上述的神經(jīng)元之間的傳導(dǎo)過程中，實(shí)際上也發(fā)生著能量的轉(zhuǎn)換。首先由電能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)能，然后再由化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。

5.2“Lfig→電能→活躍的化學(xué)能→穩(wěn)定的化學(xué)能”轉(zhuǎn)換模式

在葉綠體的類囊體上分布著2種色素：一類具有吸收和傳遞功能的作用，它們大多數(shù)是葉綠素a和葉綠素b，胡蘿卜素和葉黃素；另一類是少數(shù)處于特殊狀態(tài)的葉綠素a，這部分葉綠素a還有將光能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)。在光照射下，那些能吸收和傳遞光能的色素，將吸收的光能傳遞給少數(shù)處于特殊狀態(tài)的葉綠素a，使這些葉綠素a被激發(fā)而失去電子。脫離葉綠素a的電子經(jīng)過一系列的傳遞，最后傳遞給一種帶正電荷的有機(jī)物——NADP+。失去電子的葉綠素a變成了一種強(qiáng)氧化劑，能夠從水分子中奪得電子，使水分子氧化生成氧分子和氫離子，葉綠素a由于獲得了電子而恢復(fù)了穩(wěn)態(tài)。這種在光能的不斷照射下，少數(shù)葉綠素a連續(xù)不斷地失去電子和獲得電子，而形成了電子流，使光能轉(zhuǎn)換成為電能。隨著上述過程的進(jìn)行，NADP⁺得到2個(gè)電子和一個(gè)氫離子，就形成了NADPH：

NADP⁺+2e+H⁺→NADPH。

與此同時(shí)，葉綠體利用光能轉(zhuǎn)換成為另一部分電能又將ADP和Pi轉(zhuǎn)化成ATP，這樣電能就轉(zhuǎn)換成為活躍的化學(xué)能，貯存在NADPH和ATP中了。

在碳反應(yīng)中，CO²被固定后形成一些三碳化合物，在酶的作用下，接受NADPH和ATP釋放的化學(xué)能，并被NADPH還原，再經(jīng)過一系列復(fù)雜的變化，最后形成糖等富含穩(wěn)定化學(xué)能的有機(jī)物，即活躍的化學(xué)能就轉(zhuǎn)換成了穩(wěn)定的化學(xué)能并貯存在糖類等有機(jī)物中。

綜合上述，可通過能量轉(zhuǎn)換的狀況，推知是什么樣的生理過程。如上述“5.2模式”的能量轉(zhuǎn)換可判定是植物的“光合作用”。如果再變換一下能量轉(zhuǎn)換狀況，把“光能→電能→活躍的化學(xué)能→穩(wěn)定的化學(xué)能”轉(zhuǎn)變成“光能→電能→活躍的化學(xué)能→穩(wěn)定的化學(xué)能→活躍的化學(xué)能”模式，那就是光合作用和細(xì)胞呼吸的偶聯(lián)作用模式了。