在當(dāng)前公認(rèn)的唯一公平的高考選拔制度下，應(yīng)試已成為必然。在高考備考的過程中，眾多科學(xué)方案實(shí)為編輯題海，所謂“素質(zhì)教育”似為“應(yīng)試素質(zhì)培訓(xùn)”。怎樣從應(yīng)試的操作中營造科學(xué)素養(yǎng)的蓮心，本文試圖從一些經(jīng)典生物范例的處理中尋找突破梏槁的奇點(diǎn)。
1．材料一
關(guān)于C4植物和C3植物對CO2的固定的敘述，正確的是( )
A．C3植物對CO2的固定需要能量，C4植物對CO2的固定不需要能量
B．C3植物對CO2的固定不需要能量，C4植物對CO2的固定需要能量
C．C4植物和C3植物固定CO2的場所完全相同
D．C4植物和C3植物對CO2的固定都發(fā)生一次
標(biāo)準(zhǔn)答案：B
常見解析：C4植物的C3途徑與C3植物的C3途徑完全相同，只要有CO2、有酶、有C5（核酮糖－1,5－二磷酸，簡寫RuBP）不需消耗能量就能夠把CO2固定而形成C3； C4植物的C4途徑固定CO2，需磷酸烯醇式丙酮酸（簡寫PEP）參與，PEP固定CO2時不需要消耗能量，但PEP的形成卻需要消耗能量，這時所消耗的能量不用于C3的還原，只能認(rèn)為是用于CO2固定。
該命題有兩個疑點(diǎn)：一是CO2固定的需能問題，二是參與固定CO2的底物生成條件問題。概括來講，光合作用的暗反應(yīng)包括CO2的固定和C3的還原兩個過程。C3植物和C4植物及景天科植物的C3途徑完全相同，其中CO2的固定是CO2和RuBP 在RuBP羧化酶作用下的羧化反應(yīng)，C4植物和景天科植物的C4途徑是CO2和PEP在PEP羧化酶作用下的羧化反應(yīng)。這兩個反應(yīng)均不消耗能量；由于必修教材沒有顯示C5（RuBP）形成的需能過程，選修教材顯示了PEP形成的需能過程，這就造成命題者在沒有掌握準(zhǔn)確資料的情況下，誤導(dǎo)學(xué)生認(rèn)為C5的形成不需能。實(shí)際情況是，在C3途徑中， 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途徑中，PEP是丙酮酸在ATP、磷酸和丙酮酸磷酸雙激酶作用下磷酸化形成的。這兩個反應(yīng)均消耗能量。其實(shí)，若留意的話，2004年上海高考題光合作用示意圖（右圖）就是一個明顯的提示。
事實(shí)證明，光合作用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP至少還用于RuBP和PEP的形成而一定不用于CO2固定。所以，該命題C3植物、C4植物對CO2的固定需不需能問題立意本身就是錯誤的。正確的理解應(yīng)為：C3 、C4植物對CO2的固定不需要能量，參與CO2固定的RuBP和PEP的形成需要能量。前者強(qiáng)調(diào)特定反應(yīng)的獨(dú)立過程，后者強(qiáng)調(diào)相關(guān)途徑的完成條件。
2．材料二：
利用紅外線測量儀可以靈敏地測量一個密閉小室（容積為1L）中的CO2濃度變化。在甲、乙兩個密閉、透明玻璃小室中分別放置葉面積都是10cm3的A、B兩種植物的葉片，在充足的光照條件下測量CO2 濃度變化（假設(shè)實(shí)驗(yàn)期間溫度等條件適宜且不變），結(jié)果記錄于下表：（CO2濃度mg/L）
表1
記錄時間（min）
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
甲小室（A植物葉片）
150
110
75
50
35
18
8
8
8
8
乙小室（B植物葉片）
150
113
83
58
50
48
48
48
48
48
根據(jù)表中記錄到的數(shù)據(jù)回答下列問題：
⑴從表中數(shù)據(jù)可以看出密閉小室中的CO2濃度變化的趨勢是 先逐漸降低，后保持穩(wěn)定 。
⑵從記錄的結(jié)果看，實(shí)驗(yàn)的前5分鐘，A、B兩種植物葉片有機(jī)物的積累量之比為 40:37 。
解析：有機(jī)物的積累量（凈光合量）之比即為室內(nèi)CO2吸收量（）之比。據(jù)表：
A：B＝（150－110）：（150－113）＝40：37
⑶0～25min期間，影響光合作用強(qiáng)度的主要因素是 CO2濃度 。
解析：當(dāng)記錄時間在30～45min期間， CO2濃度維持在相同的水平上，其原因是葉片的光合作用和呼吸作用強(qiáng)度相等（或葉片光合作用吸收CO2量等于呼吸作用釋放CO2量）。
據(jù)此探究該實(shí)驗(yàn)裝置的特殊意義：
當(dāng)光合作用吸收的CO2量等于呼吸作用放出的CO2量，此時外界CO2的數(shù)量就叫做CO2補(bǔ)償點(diǎn)。由于當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到一定階段后，裝置內(nèi)CO2濃度一定會下降至一個恒定的水平，即葉片的光合速率和呼吸強(qiáng)度相等。此時，這個恒定的CO2濃度即為實(shí)驗(yàn)葉片在當(dāng)前光照強(qiáng)度及溫度下的CO2補(bǔ)償點(diǎn)：如從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格中可以查出A植物葉片CO2補(bǔ)償點(diǎn)為8mg/L,B植物葉片CO2補(bǔ)償點(diǎn)為48mg/L，并能初步判斷A、B植物類型（C3植物或C4植物）。由此推知，如果把實(shí)驗(yàn)葉片換為某種待測植物即可測定該植物在某種光照強(qiáng)度及溫度下的CO2補(bǔ)償點(diǎn)，并能初步判斷該植物類型（C3植物或C4植物）。
⑷右圖為植物葉片結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)上表數(shù)據(jù)推測A植物相當(dāng)于下圖中的右圖（填“左圖”或“右圖”）。其進(jìn)行光合作用時，在維管束鞘細(xì)胞中形成淀粉。
⑸如果將大小相同、長勢相似的A種植物和B種植物一起培養(yǎng)在同一個密閉的鐘罩內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一段時間后，它們的生活狀態(tài)是：A種植物生長良好 ， B種植物逐漸枯萎，最后死亡，原因是A植物能在較低CO2濃度下進(jìn)行光合作用，B植物不能（或A植物固定CO2的能力比B植物強(qiáng)）．
據(jù)此探究培養(yǎng)過程中A、B兩種植物生理活動詳細(xì)變化
根據(jù)A、 B兩種植物單獨(dú)培養(yǎng)時生理活動的變化，當(dāng)它們一起培養(yǎng)時，從光合作用和呼吸作用標(biāo)志性變化可分為四個階段：
第一階段
A、B植物均光合作用大于呼吸作用,且A植物凈光合速率大于B植物凈光合速率。
如果把該裝置理解為一個生態(tài)系統(tǒng)，那么A、B植物之間的關(guān)系為競爭( 爭奪非生命物質(zhì)和能量)。
解析：根據(jù)表1數(shù)據(jù),在0-45min內(nèi)葉面積都是10cm3的A、B兩種植物的葉片凈光合速率即CO2凈吸收速率(mg/5min) 可制作表2數(shù)據(jù):
0-45min凈光合速率
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
據(jù)表2可知：在0-35min內(nèi)A植物的葉片凈光合速率一直大于或等于B植物，在競爭中處于有利地位。
第二階段
Ａ植物光合速率大于呼吸速率,其光合作用固定的CO2的來源有二：自身呼吸作用、環(huán)境剩余；
Ｂ植物光合速率等于呼吸速率，且達(dá)到這一狀態(tài)比單獨(dú)培養(yǎng)時為早, 隨后光合速率逐漸減弱。
此時Ａ、Ｂ植物之間的關(guān)系仍為競爭（爭奪非生命物質(zhì)和能量）
第三階段
Ａ植物光合速率仍大于呼吸速率，其光合作用固定的CO2的來源有三：自身呼吸、環(huán)境剩余、Ｂ植物釋放。
Ｂ植物光合作用停止,僅進(jìn)行呼吸作用,此時Ｂ植物CO2釋放量達(dá)到最大值，且呼吸作用隨著呼吸底物消耗變得越來越小。
此時，從Ａ、Ｂ植物之間的關(guān)系來看，Ｂ植物開始成為“被捕食者”（提供CO2給Ｂ植物）。
第四階段
Ａ植物光合速率等于呼吸速率。且達(dá)到這一狀態(tài)比單獨(dú)培養(yǎng)時間推遲，因?yàn)檫@建立在B植物死亡之前一直提供CO2的基礎(chǔ)上 。
B植物呼吸停止 (成為非生命物質(zhì)) 。
預(yù)期一：如果一直照光,從理論上講，Ａ植物將能存活較長時間,但不能繼續(xù)生長發(fā)育,因?yàn)榇藭r植物光合速率等于呼吸速率,沒有有機(jī)物積累。
預(yù)期二：如果不照光或照光時間短，玻璃罩內(nèi)氧氣消耗完后,植物將進(jìn)行無氧呼吸,直接后果是：
1．產(chǎn)能少（1個葡萄糖氧化只能形成2個ATP），為維持正常代謝，需消耗更多有機(jī)物。
2．第一階段產(chǎn)生的丙酮酸不能進(jìn)入線粒體完成三羧酸循環(huán)，許多中間產(chǎn)物無法合成。
3．酒精（丙酮酸在細(xì)胞質(zhì)中脫羧最終被還原為酒精）積累，使細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)變性失活。
4．若繼續(xù)培養(yǎng)，植物最終死亡。
該裝置曾被用于同室“效應(yīng)”法選種
把C4植物（如高梁）與要篩選的C3植物（如水稻等不同品種或輻射處理的同一品種或與C4植物雜交遺傳性動搖的雜種）共同種植在該裝置中。由于C3植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)高，C4植物的CO2 補(bǔ)償點(diǎn)低，所以C3植物（如水稻等秧苗）缺乏CO2而致饑餓，先行死亡，而C4植物（如高梁等幼苗）在一定范圍的CO2濃度下仍然生長正常。如果其中個別C3植物的植株能忍受低CO2濃度，即能生存下去，便選出低CO2補(bǔ)償點(diǎn)植株。
3．材料三：
（06四川）將川芎植株的一葉片置于恒溫的密閉小室，調(diào)節(jié)小室 CO2 濃度，在適宜光照強(qiáng)度下測定葉片光合作用的強(qiáng)度（以 CO2 吸收速率表示），測定結(jié)果如下圖。下列相關(guān)敘述，正確的是
A．如果光照強(qiáng)度適當(dāng)降低，a 點(diǎn)左移，b 點(diǎn)左移
B．如果光照強(qiáng)度適當(dāng)降低，a 點(diǎn)左移，b 點(diǎn)右移
C．如果光照強(qiáng)度適當(dāng)增強(qiáng)，a 點(diǎn)右移，b 點(diǎn)右移
D．如果光照強(qiáng)度適當(dāng)增強(qiáng)，a 點(diǎn)左移，b 點(diǎn)右移
解析：本高考題盡管常見于教輔資料，但常疏于明確解析。分析題干信息，該題討論的是改變適宜光照強(qiáng)度后光補(bǔ)償點(diǎn)（a點(diǎn)，此時光合作用速率與呼吸作用速率）和CO2飽和點(diǎn)（b點(diǎn)，此后適度增加CO2濃度，光合速率不再增加）的變化問題。
1．隨著光照強(qiáng)度的增加，環(huán)境溫度亦逐漸升高。就光照強(qiáng)度來說，光合作用速率及光呼吸速率均隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，基本上呈平行關(guān)系；就環(huán)境溫度來說，光合作用速率與暗呼吸的速率亦隨著環(huán)境溫度升高而升高，這取決于酶活性的升高，只是前者的最適溫度（25－30℃）略低于后者（25－35 ℃ ）。
2．僅從一般推測可知，適宜光照強(qiáng)度下，植物的光合作用速率應(yīng)遠(yuǎn)大于呼吸作用速率，因?yàn)橹挥蟹e累足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，植物才能正常發(fā)育。所以，光照強(qiáng)度變化影響光合作用速率應(yīng)遠(yuǎn)大于呼吸作用速率。
3．1 依據(jù)以上述結(jié)論，如果光照強(qiáng)度適當(dāng)降低，光合作用速率的降低應(yīng)遠(yuǎn)大于呼吸作用速率。此時只有在較高的CO2濃度才能保持光合作用速率等于呼吸作用速率。所以a點(diǎn)右移。該分析是基于怎樣改變CO2濃度影響光合作用使其與呼吸作用相等的。
3．2 換個角度，若從改變CO2濃度影響呼吸速率使其與光合速率相等亦能得到a點(diǎn)右移的結(jié)論：因?yàn)楣庹諒?qiáng)度適當(dāng)降低，光合作用速率的降低遠(yuǎn)大于呼吸作用速率，根據(jù)呼吸作用反應(yīng)式：C6H12O6＋6O2＋6H2O 高中化學(xué) → 6CO2＋12H2O＋能量
當(dāng)CO2濃度較高時，O2濃度較低，剛好抑制正反應(yīng)促進(jìn)逆反應(yīng)，呼吸速率下降，使呼吸速率與光合速率相等成為可能，所以a點(diǎn)右移。
顯然，兩種思路得到相同的結(jié)果，我們有理由認(rèn)為a點(diǎn)右移是光合速率和呼吸速率同時變化的結(jié)果。
4．同樣，由于受光照強(qiáng)度適當(dāng)降低光反應(yīng)產(chǎn)物減少的限制，用于被還原的C3在較低的CO2濃度下即可足量生成，所以b點(diǎn)左移。
5．同理，如果光照強(qiáng)度適當(dāng)增強(qiáng)，a點(diǎn)左移，b點(diǎn)右移 。所以答案為D。
主要參考書目
潘瑞熾 董愚得編，植物生理學(xué)，第二版，高等教育出版社，1982：106－110，142－143
高煜珠 王忠， 關(guān)于光呼吸與光合作用關(guān)系的研究──Ⅱ 環(huán)境因素對光合作用的影響及其與光呼吸的關(guān)系，植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報，1982，04
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