光合作用之“摩托车”模型的组装与拆卸

摘 要 将光合作用复杂的反应过程用“摩托车”模型加以模拟，并通过对其组装与拆卸解决教学中的相关重难点，以此表明“建模”思想和“整体与部分”思想在教学中的巧妙运用。

关键词 光合作用 模型建构 建模思想 整体与部分

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

纵观浙江省及其他省份多年的生物高考试卷，笔者发现由于光合作用作为细胞代谢的核心知识，故一直备受命题者的青睐，几乎成了高考的永恒考点。但因该部分知识点多、散、杂，无论是在老师教的过程中还是学生学的过程中都感觉有点手忙脚乱。根据多年的教学经验，筆者认为可将光合作用的绝大部分内容整合到“摩托车”模型中来，通过对“摩托车”模型的组装与拆卸进而使教与学达到四两拨千斤的效果。

1 光合作用模型的组装与拆卸

1.1 模型的组装

作为交通工具的摩托车，其物理结构包括把手、车轮、横梁、链条等。

那么结合到光合作用的过程，光反应阶段中的水的光解相等于摩托车的把手，光反应阶段和碳反应阶段分别是摩托车的前轮与后轮，[H]和ATP的合成与分解则构成摩托车的横梁与链条。与摩托车后置动力相反，光合作用则是前轮带动后轮，前轮吸收光能之后通过链条将能量传输给后轮。光合作用之“摩托车”模型如图1所示。

1.2 模型的拆卸

作为一个优秀的摩托车手，不仅要整体上认识摩托车的框架，而且还要弄清其各部分的详细构造。前轮在类囊体中，其上有色素和光反应阶段的酶，可能发生水的光解、ATP和NADPH的合成反应。后轮则在叶绿体基质中，由RuBP、C3酸和C3糖组成，三者依次转化、往复循环可使后轮转运，但需要供应原料CO2以及通过链条传送过来的能量和NADPH，后轮转运可源源不断地产生C3糖并在叶绿体内外合成不同的有机物。

笔者分析近几年全国高考生物试卷，发现该考点常以生理现象、生理过程、曲线、图表、实验现象等设置考查背景，多以图文转换、识图分析题型考查学生审题能力、分析、解决问题能力及综合运用所学知识能力，尤其是注重对考生综合能力的考查。此试题可分为三大模块：① 考查光合作用的过程；② 考查光合作用的影响因素；③ 考查光合作用与细胞呼吸的关系。以下结合几道高考试题来说明如何通过模型的组装与拆卸解答前两类题型。

2 高考试题中的组装与拆卸

2.1 光合作用过程的考查

理解光合作用过程是研究光合作用的基础。近几年高考理综生物试题多从分子水平考查对光合作用发生的条件、能量的变化及对整个过程的理解程度。

【例1】 图2为光能在叶绿体中转换的示意图，U、V、W、X、Y代表参与光能转换的物质。下列选项，错误的是（ ）

A. U在光合作用里的作用是吸收和传递光能

B. V吸收光能后被激发，使H2O分解产生电子流

C. W为CO2的还原剂，其能量是稳定化学能来源之一

D. U至Y的能量转换在叶绿体囊状结构薄膜上进行

解析：本题从分子水平考查学生对光合作用过程的理解以及识图、析图能力。解题的关键是将该示意图中与整个“摩托车”模型图对应起来，并弄清楚图中各字母的含义及过程分析。

经对比可知，U、V、W、X、Y分别是光合色素（除少数特殊状态的叶绿素a）、少数特殊状态的叶绿素a、NADPH、NADP+、有机物。结合教材知识可知，U在光合作用里的作用是吸收和传递光能，并传递到V后形成电能，电能一部分储存在NADPH中，另一部分储存在ATP中，供碳反应合成储存稳定能量的有机物。其中光能转化为电能然后转换为活跃的化学能在光反应过程完成，场所是叶绿体囊状结构薄膜上，活跃的化学能而后转化为稳定的化学能则是碳反应过程在叶绿体的基质中完成。

答案：D。

【例2】 为探究低浓度NaHSO3溶液对水稻光合速率的影响，某研究小组做了如下实验，请完成实验报告并回答下列问题：研究发现NaHSO3增加了叶片内叶绿体形成ATP的能力，推测其作用部位是叶绿体的 ，进而加快对图3中 （填字母A～D）物质的利用。

解析：本题同样也是从分子水平考查光合作用过程及识图、析图能力。解题的关键是将该示意图中的字母与“摩托车”模型的后轮拆卸出来，并将其中的物质对应起来即可。

NaHSO3可增加形成ATP的能力，所以该物质作用于光反应阶段，作用部位是叶绿体的类囊体。ATP合成加快，促进了碳反应过程，加快了对C3（B）、RuBP（D）、CO2（A）等物质的利用。

答案：类囊体 A、B、D

2.2 光合作用影响因素的考查

对于植物的自然生长，其光合作用必然要受到多种内因和外因的影响。有关对影响因素的考查，最终还要回归到“摩托车”模型上（图4）。从该模型图中不仅可以看到内外因（以外因为主）有哪些，还可由此探讨内外因对光合作用的产物或坐标点的移动等方面的影响。

当光合作用所受外界因素如光照强度、温度和CO2浓度发生改变时，其中间产物如C3酸、C3糖、RuBP、NADPH和NADP+、ATP和ADP等物质在短时间内的含量变化或合成速率也会随之变化。一般而言，当外界条件转好，如光强度增加、温度升高或CO2浓度增加等会加速“摩托车”的转动，使各物质的反应速率都加快，也即光合速率加快，反之则减慢。

① 外因对光合作用中物质含量在短时间内的影响：在此需要指明的是所谓短时间内含量变化是指外因导致某种物质的第一次含量变化。模型图中的产物可分为中间产物和终产物，除了终产物——糖类等有机物之外的其他物质均是中间产物，即C3酸、C3糖、RuBP、NADPH和NADP+、ATP和ADP。终产物的含量变化与光合速率的变化是相同的，而中间产物的含量变化则需另当别论。每一类中间产物的总量在原先的外界条件下都可以看做是一定的，且能够相互转化的物质之间存在此消彼长的关系。例如，当CO2浓度增加时，摩托车整个部分的运转都会加快，但各部分的加快是不同步的，而是从碳反应加快再到光反应加快。CO2浓度增加导致其固定速率加快，RuBP消耗增多，含量减少；产物C3酸的含量增多；C3酸增多导致NADPH和ATP消耗增多，其含量减少，而NADP+和ADP的含量因NADPH和ATP的分解而增多。

② 物质合成速率的影响：不管什么外因只要导致该物质的消耗增加，则其合成速率就增加；反之减少。

③ 外因对光合作用曲线坐标中点的影响：当某一外界条件发生改变时，题目中常会要求考查补偿点及饱和点的移动情况。分析表明当条件转好时，无论光补偿点还是CO2补偿点一般都会左移，而饱和点则会右移，条件转不利时则相反。

【例3】 如图5是水生植物黑藻在光照等环境因素影响下光合速率变化的示意图。下列有关叙述，正确的是（ ）

A. t1→t2，叶绿体类囊体膜上的色素吸收光能增加，基质中水光解加快、O2释放增多

B. t2→t3，碳反应限制光合作用，若在t2时刻增加光照，光合速率将再提高

C. t3→t4，光照强度不变，光合速率的提高是由于光反应速率不变、碳反应增强的结果

D. t4后短暂时间内，叶绿体中ADP和Pi含量升高，C3化合物还原后的直接产物含量降低

解析：本题主要考查光合作用的影响因素。依据图4可知，t1→t2，光照增强，水的光解加快，O2释放增多；t2→t3，限制光合作用的因素是CO2而非光照，若在t2时刻增加光照，光合速率不会提高；t3→t4，充入CO2，碳反应速率增强并带动光反应速率增加；t4后短暂时间内，因无光照，ATP的合成停止，叶绿体中ADP和Pi含量升高，水的光解也停止，C3还原受阻，致使C3还原后的直接产物糖类含量降低。故D项正确。

答案：D。

事实上，光合作用之“摩托车”模型的组装与拆卸其实就是“建模”思想和哲学中“整体与部分”思想的结合并将其运用到教学中解决相关问题的实例。由此，在教学中选择一种好的教学技巧或思路可以达到事半功倍的效果，但不同的教学内容该如何选择合适的教学思路则需要教师认真去揣摩与反思。