河北

生物教學(xué)中教師常常借助數(shù)學(xué)曲線來(lái)呈現(xiàn)生物學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，從而使復(fù)雜的事物簡(jiǎn)單化，抽象的事物形象化，相關(guān)知識(shí)系統(tǒng)化、規(guī)律化，使學(xué)生理清思路，突破重難點(diǎn)，理解和記憶、分析、推理與綜合能力得以提升。

一、酵母菌呼吸曲線的構(gòu)建

探究細(xì)胞的呼吸類型實(shí)驗(yàn)（如圖1）選用了代謝類型（兼性厭氧型）比較特殊的生物——酵母菌，教師教學(xué)中可借助數(shù)學(xué)模型來(lái)幫助學(xué)生提高對(duì)知識(shí)的認(rèn)知。

圖1

圖2

由實(shí)驗(yàn)裝置圖可構(gòu)建圖2的數(shù)學(xué)模型，其中圖2甲表示隨著O2濃度的增加，酵母菌無(wú)氧呼吸逐漸受到抑制，圖2乙表示隨著O2濃度的增加，酵母菌有氧呼吸逐漸增強(qiáng)，到一定O2濃度時(shí)，有氧呼吸速率不變。

二、酵母菌呼吸曲線的變形

1.若用細(xì)胞呼吸消耗O2和釋放CO2的量標(biāo)注曲線

在生產(chǎn)實(shí)踐中當(dāng)O2濃度較低時(shí)，細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行有氧呼吸和無(wú)氧呼吸，細(xì)胞呼吸曲線便有所變化，CO2曲線代表某一O2濃度下的無(wú)氧呼吸和有氧呼吸釋放CO2的代數(shù)和。

分析：

圖3

曲線OPT代表O2吸收量，曲線QPT代表CO2生成量（即無(wú)氧呼吸和有氧呼吸產(chǎn)生CO2的代數(shù)和）。

【例1】在a、b、c、d條件下，測(cè)得某植物種子萌發(fā)時(shí)CO2和O2體積變化的相對(duì)值如表1。若底物是葡萄糖，下列敘述中正確的是（ ）

表1

A.a條件下，產(chǎn)生的ATP來(lái)自線粒體

B.b條件下，有氧呼吸消耗的葡萄糖是無(wú)氧呼吸消耗葡萄糖的1/5

C.c條件下，無(wú)氧呼吸產(chǎn)生能量大于有氧呼吸產(chǎn)生能量

D.d條件下，呼吸產(chǎn)物CO2來(lái)自細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體

【解析】a條件下，未消耗O2，但有CO2產(chǎn)生，故植物種子只進(jìn)行無(wú)氧呼吸，產(chǎn)生的ATP來(lái)自細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；b條件下，有氧呼吸消耗O2為3 mol，產(chǎn)生CO2為3 mol，無(wú)氧呼吸產(chǎn)生CO2為5 mol，按照有氧呼吸、無(wú)氧呼吸方程式可知：有氧呼吸消耗葡萄糖為0.5 mol，無(wú)氧呼吸消耗葡萄糖為2.5 mol，有氧呼吸消耗的葡萄糖是無(wú)氧呼吸消耗葡萄糖的1/5，B項(xiàng)正確；c條件下，無(wú)氧呼吸消耗葡萄糖為1 mol，有氧呼吸消耗葡萄糖為2/3 mol，但有氧呼吸產(chǎn)生能量多于無(wú)氧呼吸，C項(xiàng)錯(cuò)誤；d條件下只進(jìn)行有氧呼吸，產(chǎn)生的CO2來(lái)自線粒體基質(zhì)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】B

2.若用細(xì)胞呼吸產(chǎn)生酒精和釋放CO2的量標(biāo)注曲線

圖4

【例2】有一瓶混有酵母菌的葡萄糖培養(yǎng)液，當(dāng)通入不同濃度的氧氣時(shí)，其產(chǎn)生的酒精和CO2的量如表2所示。通過(guò)對(duì)表2中數(shù)據(jù)分析可得出的結(jié)論是（ ）

表2

A.a濃度時(shí)酵母菌有氧呼吸速率等于無(wú)氧呼吸速率

B.b濃度時(shí)酵母菌有氧呼吸速率大于無(wú)氧呼吸速率

C.c濃度時(shí)有50%的葡萄糖用于酵母菌的酒精發(fā)酵

D.d濃度時(shí)酵母菌只進(jìn)行有氧呼吸未進(jìn)行無(wú)氧呼吸

【解析】a濃度時(shí)酵母菌產(chǎn)生酒精的量和產(chǎn)生CO2的量相等，只進(jìn)行無(wú)氧呼吸，A項(xiàng)錯(cuò)誤；b濃度時(shí)酵母菌有氧呼吸消耗的葡萄糖為1 mol，無(wú)氧呼吸消耗的葡萄糖為3.25 mol，有氧呼吸速率小于無(wú)氧呼吸速率，B項(xiàng)錯(cuò)誤；c濃度時(shí)有氧呼吸消耗葡萄糖為1.5 mol，無(wú)氧呼吸消耗葡萄糖為3 mol，有66.7%葡萄糖用于酵母菌的酒精發(fā)酵，C項(xiàng)錯(cuò)誤；d濃度時(shí)酵母菌未產(chǎn)生酒精，故只進(jìn)行有氧呼吸，D項(xiàng)正確。

【答案】D

【例3】把盛有酵母菌和葡萄糖混合液的裝置（如圖5所示）置于適宜溫度下，一段時(shí)間后，經(jīng)檢測(cè)，裝置中葡萄糖減少了a mol，氣體的總量增了b mol。下列關(guān)于酵母菌細(xì)胞呼吸的分析錯(cuò)誤的是（ ）

圖5

A.無(wú)氧呼吸消耗的葡萄糖的量為0.5b mol

B.細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2量為（6a-2b）mol

C.有氧呼吸產(chǎn)生的CO2量為（6a-b）mol

D.細(xì)胞呼吸消耗的O2量為（6a-3b）mol

【解析】由分析可知，氣體的總量增加的b mol為無(wú)氧呼吸產(chǎn)生的CO2量，則無(wú)氧呼吸消耗的葡萄糖的量為0.5b mol，A項(xiàng)正確；細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2量＝有氧呼吸產(chǎn)生的CO2量+無(wú)氧呼吸產(chǎn)生的CO2量＝（6a-3b+b）mol＝（6a-2b）mol，B項(xiàng)正確；因?yàn)闊o(wú)氧呼吸消耗的葡萄糖的量為0.5b mol，則有氧呼吸消耗的葡萄糖的量為（a-0.5b）mol，所以有氧呼吸產(chǎn)生的CO2量和消耗的O2量都為（6a-3b）mol，C項(xiàng)錯(cuò)誤、D項(xiàng)正確。

【答案】C

三、呼吸速率的測(cè)定

1.有氧呼吸速率測(cè)定

圖6

2.無(wú)氧呼吸速率測(cè)定

為了測(cè)定無(wú)氧呼吸速率，就必須保留CO2，用蒸餾水代替NaOH溶液可測(cè)定無(wú)氧呼吸強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)和結(jié)論：

裝置的設(shè)置對(duì)應(yīng)到酵母菌呼吸曲線圖上，如圖7所示：

圖7

OPQ部分的面積代表的是無(wú)氧呼吸作用強(qiáng)度，測(cè)定它可采用裝置二（蒸餾水組），液滴右移的體積代表無(wú)氧呼吸速率；OPT部分的面積代表的是有氧呼吸作用強(qiáng)度，測(cè)定它可采用裝置一（NaOH溶液組），液滴左移的體積代表有氧呼吸速率。O2濃度為0時(shí)只進(jìn)行無(wú)氧呼吸，O2濃度為10%時(shí)只進(jìn)行有氧呼吸，O2濃度在0～10%階段，酵母菌既進(jìn)行有氧呼吸又進(jìn)行無(wú)氧呼吸。

【例4】為研究細(xì)胞呼吸，取如圖8裝置分為甲、乙兩組，甲組為A處放一定質(zhì)量的某種種子、B處放一定量NaOH溶液，乙組為A處放等量同種種子、B處放等量蒸餾水。相同時(shí)間后，觀察液滴移動(dòng)情況，下列敘述正確的是（ ）

圖8

A.乙組液滴一定是右移或不移動(dòng)

B.甲組液滴移動(dòng)的量可代表種子呼吸產(chǎn)生的CO2量

C.設(shè)計(jì)乙組裝置是測(cè)定種子消耗的O2量與產(chǎn)生的CO2量的差值

D.為了提高實(shí)驗(yàn)精確度，可再設(shè)置一個(gè)A中為等量煮熟的種子，B中為等量NaOH溶液的丙裝置

【解析】如果只以葡萄糖為底物，只發(fā)生右移或不移動(dòng)，如果消耗底物為脂肪，則乙組液滴也會(huì)發(fā)生左移，A項(xiàng)錯(cuò)誤；甲組液滴移動(dòng)的量可代表種子呼吸消耗的O2量，B項(xiàng)錯(cuò)誤；設(shè)計(jì)乙組裝置是測(cè)定種子消耗的O2量與產(chǎn)生的CO2量的差值，C項(xiàng)正確；為了提高實(shí)驗(yàn)精確度，可再設(shè)置一個(gè)A中為等量煮熟的種子，B中為等量蒸餾水的丙裝置，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】C

【例5】如圖9是某研究性學(xué)習(xí)小組為了探究酵母菌的細(xì)胞呼吸類型而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置（酵母菌利用葡萄糖作為能源物質(zhì)），下列有關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果的分析，錯(cuò)誤的是（ ）

圖9

A.通過(guò)裝置1僅僅能探究出酵母菌是否進(jìn)行有氧呼吸

B.用水代替NaOH溶液設(shè)置裝置2，通過(guò)裝置2液滴的移動(dòng)情況可以探究出酵母菌是否進(jìn)行無(wú)氧呼吸

C.用水代替NaOH溶液設(shè)置裝置2，如果裝置1中液滴左移，裝置2中液滴右移，說(shuō)明酵母菌既進(jìn)行有氧呼吸，又進(jìn)行無(wú)氧呼吸

D.用水代替NaOH溶液設(shè)置裝置2，裝置2中液滴可能向左移

【解析】燒杯中的NaOH溶液能吸收細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2，所以液滴移動(dòng)的距離代表細(xì)胞呼吸消耗O2的量，因此通過(guò)裝置1僅僅能探究出酵母菌是否進(jìn)行有氧呼吸，A項(xiàng)正確；用水代替NaOH溶液設(shè)置裝置2，由于水不吸收氣體也不釋放氣體，所以液滴移動(dòng)的距離代表細(xì)胞呼吸釋放的CO2量與消耗O2量的差值，如果液滴移動(dòng)說(shuō)明酵母菌進(jìn)行了無(wú)氧呼吸，如果液滴不移動(dòng)，說(shuō)明酵母菌不進(jìn)行無(wú)氧呼吸，B項(xiàng)正確；用水代替NaOH溶液設(shè)置裝置2，如果裝置1中液滴左移，說(shuō)明有O2的消耗，可以推斷出酵母菌進(jìn)行了有氧呼吸，裝置2中液滴右移，說(shuō)明細(xì)胞呼吸釋放的CO2量多于O2的消耗量，推斷出酵母菌還進(jìn)行了無(wú)氧呼吸，C項(xiàng)正確；用水代替NaOH溶液設(shè)置裝置2，由于葡萄糖作底物不可能出現(xiàn)O2的消耗量大于CO2的釋放量的情況，所以裝置2中液滴不可能向左移，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】D

四、光合作用曲線與裝置關(guān)系

光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度有影響，但光合作用強(qiáng)度無(wú)法直接測(cè)出，是借助于凈光合速率和呼吸作用速率的測(cè)定來(lái)完成的。光合作用曲線如圖10所示：

圖10

在0點(diǎn)位置，光照強(qiáng)度為0，細(xì)胞只進(jìn)行呼吸作用，0A段長(zhǎng)度代表呼吸作用強(qiáng)度。AB段呼吸作用強(qiáng)度大于光合作用強(qiáng)度。B點(diǎn)光照強(qiáng)度下，光合作用強(qiáng)度等于呼吸作用強(qiáng)度。BC段光合作用強(qiáng)度大于呼吸作用強(qiáng)度。0D段代表凈光合作用強(qiáng)度，AD段代表真正光合作用強(qiáng)度。

1.凈光合速率的測(cè)定

圖11裝置乙燒杯中的NaHCO3溶液保證了容器內(nèi)CO2濃度相對(duì)穩(wěn)定，滿足了綠色植物光合作用的需求。植物在光下既進(jìn)行光合作用也進(jìn)行呼吸作用，有CO2的吸收和釋放，但是都被NaHCO3溶液緩沖掉了，可以不作考慮，故裝置中紅色液滴的移動(dòng)代表的是光合作用產(chǎn)生氧氣與呼吸作用消耗氧氣的差值，即凈光合速率。

圖11

2.呼吸速率的測(cè)定

圖11裝置甲中的溶液為NaOH溶液，且置于黑暗條件下，則可用來(lái)測(cè)定呼吸速率，由于NaOH溶液將呼吸作用產(chǎn)生的CO2吸收掉了，故測(cè)出的指標(biāo)是呼吸作用耗氧量。

物理誤差的校正：為防止氣壓、溫度等物理因素所引起的誤差，應(yīng)設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，即用死亡的綠色植物分別進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，根據(jù)紅色液滴的移動(dòng)距離對(duì)原實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正。

裝置的設(shè)置對(duì)應(yīng)到植物光合作用曲線圖上，如圖12所示：

圖12

【例6】如圖13實(shí)驗(yàn)裝置可以用來(lái)測(cè)量植物的光合速率和呼吸速率。

圖13

（1）若用裝置A測(cè)量一定光照強(qiáng)度和CO2濃度下的植株的光合速率，裝置A中的液體應(yīng)為____________溶液。

（2）為了校正由于溫度和外界氣壓變化引起的氣體體積變化，此時(shí)，裝置B瓶?jī)?nèi)應(yīng)如何設(shè)置?___________________________________________。

（3）用上述裝置測(cè)定一定光照條件下，植株的光合作用速率。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，圖中有色液體處于“0”的位置，兩套裝置靜置2小時(shí)后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示：甲圖液柱高度差讀數(shù)為160 cm3，乙圖液柱高度差讀數(shù)為40 cm3，假定植株葉面積總數(shù)為300 cm2，該植株的光合速率為____________cm3·dm-2·h-1。

（4）若要利用上述裝置來(lái)測(cè)定植株的呼吸速率，則應(yīng)對(duì)裝置作何調(diào)整?

a.___________________________________________________________；

b.___________________________________________________________。

【解析】高考中處理解答題，首先要縱觀全題。本題中要測(cè)定光合作用速率和呼吸作用速率，而真正的光合作用速率直接測(cè)定不出來(lái)，肯定要借助凈光合作用速率和呼吸作用速率來(lái)計(jì)算，在（4）中測(cè)了呼吸作用速率，所以（1）中應(yīng)該是測(cè)定凈光合作用速率，裝置A中的液體應(yīng)為NaHCO3溶液，（4）中測(cè)定呼吸作用速率一定是采用堿溶液并且遮光處理，歸納成“碳酸氫鈉凈光合，測(cè)定呼吸堿遮光”。校正氣體受熱膨脹或外界氣壓變化，就需要用與A裝置中大小相同的同種死植株，溶液不變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即“校正換藥不換湯”。

【答案】（1）NaHCO3（2）應(yīng)放置與A中大小相同的同種死植株和等量的NaHCO3溶液 （3）10（4）a.瓶中液體改為放NaOH溶液 b.對(duì)瓶進(jìn)行遮光處理，其他條件不變

知識(shí)建構(gòu)過(guò)程是從挖掘曲線的描點(diǎn)法、曲線的坐標(biāo)、曲線的走勢(shì)、曲線的關(guān)鍵點(diǎn)以及曲線和裝置的關(guān)系入手，有助于幫助學(xué)生完成思維過(guò)程的建立，開拓學(xué)生科學(xué)探究的視野。