1．碳循环

　　 碳在无机环境中存在形式是碳酸盐和CO₂；在生物群落中的存在形式是含碳有机物；在生物群落与无机环境之间的循环是以CO₂的形式进行的，在生物群落内部的流动是以有机物的形式进行的。

　　 CO₂进入生物群落是通过自养型生物完成的，主要是绿色植物的光合作用。生物群落中的有机碳是通过生物的呼吸作用和微生物的分解作用将有机物彻底分解成CO₂和H₂O，归还到无机环境中。

　　 在正常情况下，碳的循环是平衡的，但由于现代工业的迅速发展，人类大量燃烧煤、石油和天然气等化石燃料，使地层中经过千百万年积存的已经脱离碳循环的碳元素，在很短的时间释放出来，就打破了生物圈中碳循环的平衡，使大气中的CO₂含量迅速增加，进而导致气温上升，形成“温室效应”。

2．有氧呼吸和无氧呼吸的比较

有氧呼吸和无氧呼吸的公共途径是呼吸作用第一阶段(糖酵解)，是在细胞质基质中进行。在没有氧气的条件下，糖酵解过程的产物丙酮酸被[H]还原成酒精和CO₂或乳酸等，在不同的生物体由于酶的不同，其还原的产物也不同。在有氧气的条件下，丙酮酸进入线粒体继续被氧化分解。如图5-4。由于无氧呼吸哪有机物是不彻底的，释放的能量很少，转移到ATP中的能量就更少，还有大量的能量贮藏在不彻底的氧化产物中，如酒精乳酸等。有氧呼吸在有氧气存在的条件下能把糖类等有机物彻底氧化分解成CO₂和H₂O，把有机物中的能量全部释放出来，约有44%的能量转移到ATP中。所以有氧呼吸为生命活动提供的能量比无氧呼吸多得多，在进化过程中绝大部分生物选择了有氧呼吸方式，但为了适应不利的环境条件还保留了无氧呼吸方式。

图5-4

呼吸作用与光合作用的联系：呼吸作用是新陈代谢过程一项最基本的生命活动，它是为生命活动的各项具体过程提供能量(ATP)。所以呼吸作用在一切生物的生命活动过程是一刻都不能停止的，呼吸作用的停止意味着生命的结束。光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢，一切生物的生命活动都直接或间接地依赖于光合作用制造的有机物和固定的太阳能。呼吸作用和光合作用表面看起来是2个相反的过程，但这是2个不同的生理过程，在整个新陈代谢过程中的作用是不同的。在植物体内，这2个过程是互相联系，互相制约的。光合作用的产物是呼吸作用的原料，呼吸作用的产物也是光合作用的原料；光合作用的光反应过程产生的ATP主要用于暗反应，很少用于植物体的其他生命活动过程，呼吸作用过程释放的能量主要是用于植物体的各项生命活动过程，包括光合作用产物的运输。如图5-5。

图5-5

　　 影响呼吸作用的因素：

①温度：温度能影响呼吸作用，主要是影响呼吸酶的活性。一般而言，在一定的温度范围内，呼吸强度随着温度的升高而增强。如图5-6曲线所示。

图5-6

　　 根据温度对呼吸强度的影响原理，在生产实践上贮藏蔬菜和水果时应该降低温度，以减少呼吸消耗。温度降低的幅度以不破坏植物组织为标准，否则细胞受损，对病原微生物的抵抗力大减，也易腐烂损坏。

②氧气：氧气是植物正常呼吸的重要因子，氧气不足直接影响呼吸速度，也影响到呼吸的性质。绿色植物在完全缺氧条件下就进行无氧呼吸，大多数陆生植物根尖细胞的无氧呼吸产物是酒精和CO₂。酒精对细胞有毒害作用，所以大多数陆生植物不能长期忍受无氧呼吸。在低氧条件下通常无氧呼吸与有氧呼吸都能发生，氧气的存在对无氧呼吸起抑制作用。有氧呼吸强度随氧浓度的增加而增强。关于无氧呼吸和有氧呼吸与氧浓度之间的关系用图5-7的曲线来表示。微生物的无氧呼吸称为发酵，氧气对发酵有抑制作用。图5-7的曲线也适用于对微生物的无氧呼吸和有氧呼吸的描述。根据氧对呼吸作用影响的原理，在贮存蔬菜、水果时就降低氧的浓度，一般降到无氧呼吸的消失点，如降得太低，植物组织就进行无氧呼吸，无氧呼吸的产物(如酒精)往往对细胞有一定的毒害作用，而影响蔬菜、水果的贮藏保鲜。

图5-7

③CO₂：增加 CO₂的浓度对呼吸作用有明显的抑制效应。这可以从化学平衡的角度得到解释。据此原理，在蔬菜和水果的保鲜中，增加CO₂的浓度也具有良好的保鲜效果。

1．呼吸作用的过程

　　 呼吸作用是指在生物体内氧化分解有机物并且释放能量的过程。呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。有氧呼吸的过程分为3个阶段，熟记这3个阶段是容易的，但要弄清其中所隐藏的知识点是有一定难度的。但必须弄楚以下几点：①CO₂是在第二阶段产生的，是丙酮酸和水反应生成的，CO₂中的氧原子一个来自葡萄糖，另一个来自水。这个过程在线粒体基质中进行；②O₂参与反应的阶段是第三阶段，是[H]和氧结合生成水，所以呼吸作用产物水中的氧来自O₂，这个过程在内膜上进行；③有氧呼吸过程中的反应物和生成物中都有水，反应物中的水在第二阶段参与和丙酮酸的反应，生成物中的水是有氧呼吸第三阶段[H]和0₂结合生成的；④有氧呼吸过程中3个阶段进行的场所分别是：第一阶段在细胞质基质中进行；第二阶段是在线粒体基质中进行；第三阶段是在线粒体内膜进行。无氧呼吸是指不需要氧气条件下的呼吸作用。由于没有氧气，所以氧化分解有机物是不彻底的。在无氧呼吸的产物中绝对没有水生成，如在呼吸作用的产物有水生成，一定是进行了有氧呼吸。无氧呼吸过程分为2个阶段：第一阶段和有氧呼吸是公共的途径，即一分子葡萄糖被分解成2分子丙酮酸；第二阶段是利用第一阶段产生的[H](NADPH)还原丙酮酸，在不同的植物细胞中，由于酶的不同，丙酮酸被还原的产物也是不同的，有的是乳酸(如马铃薯、玉米的胚等)，有的是酒精(如苹果、陆生植物的根细胞等)。无氧呼吸过程中的2个阶段均在细胞质基质中进行的。由于陆生植物的根细胞无氧呼吸的产物是酒精，所以陆生植物不能长期遭受水淹。但对一些水生植物或湿生植物(如水稻等)在结构和生理上都有一些适应性的特征，如根、茎、叶中有气腔，根的无氧呼吸产物不是酒精而是一些其他的、毒性较小的有机小分子物质。

4．C₃植物和C₄植物

　　 C₃植物：是指在光合作用的暗反应过程中，一个CO₂被一个五碳化合物(1，5-二磷酸核酮糖，简称RuBP)固定后形成两个三碳化合物(3-碳酸甘油酸)，即 CO₂被固定后最先形成的化合物中含有三个碳原子，所以称为C₃植物。C₃植物叶片的结构特点是：叶绿体只存在于叶肉细胞中，维管束鞘细胞中没有叶绿体，整个光合作用过程都是在叶肉细胞里进行，光合产物变只积累在叶肉细胞中。

　　 C₄植物：是指在光合作用的暗反应过程中，一个C₂被-个含有三个碳原子的化合物(磷酸烯醇式丙酮酸)固定后首先形成含四个碳原子的有机酸(草酰乙酸)，所以称为C₄植物。C₄植物叶片的结构特点是：围绕着维管束的是呈“花环型”的两圈细胞，里面一圈是维管束鞘细胞，细胞较大，里面的叶绿体不含基粒。外圈的叶肉细胞相对小一些，细胞中含有具有基粒的叶绿体。通过C₄途径固定CO₂的过程是在叶肉细胞中进行的。C₄中的C转移到C₃途径是在维管束鞘细胞中进行的，光合作用的暗反应过程也是在维管束鞘细胞中进行。光合作用的产生也主要积累在维管束鞘细胞中。C₄植物具有两条固定CO₂的途径，即C₃途径和C₄途径。

C₄植物通常分布在热带地区，光合作用效率较C₃植物高，对CO₂的利用率也较C₃植物高，所以具有C₄途径的农作物的产量比具有C₃途径的农作物产量要高，如玉米就属于C₄植物。

3．先合作用的过程

　　 光反应：叶绿体中色素吸收的光能主要用于光合作用的光反应，在光反应阶段主要进行2个反应，一是叶绿素吸收光能后受激发而失去电子后，从水中夺取电子，使水分解，经一系列过程后，生成还原态的氢、NADPH和O₂，这个过程为水的光解，方程 可简写为：2H₂O 4[H]+O₂；二是将电子传递给NADP⁺的过程中，将 ADP和 Pi合成 ATP，这个过程称为光合磷酸化过程，方程式可简单表示为：ADP+PiATP。最后电子传递给NADP⁺形成NADPH。这 2个过程都是在基粒片层结构薄膜上进行的。光反应的产物共有3种：［H］、ATP和O₂其中[H]和ATP是供给暗反应的原料，O₂则释放到大气中，或被呼吸作用所利用。光反应的进行必须依赖于色素吸收的光能，所以必须在光下才能进行。

　　 暗反应：是在叶绿体的基质中进行的。进行暗反应必须具备4个基本条件：CO₂、酶、[H]和ATP。其中[H]和 ATP来自光反应，CO₂主要来自大气中，酶是叶绿体本身所固有的。暗反应与光没有直接的关系，只要具备上述4个基本条件，不论有光和无光都能进行。在暗反应过程中，首先要用五碳化合物(简写为C₅，其化学名称为1，5-二磷酸核酮糖，其中有高能磷酸键)固定CO₂，并迅速生成2分子三碳化合物(简写为C₃，化学名称为3-磷酸甘油酸)，然后在NADPH([H]还原和ATP提供能量下被还原成糖类(CH₂O)，在此过程中还将再生出五碳化合物，所以暗反应是一个循环过程。五碳化合物的再生也需要光反应提供ATP。

　　 光合作用的意义：第一、制造有机物，实现巨大的物质转变，将CO₂和H₂O合成有机物；第二、转化并储存太阳能；第三、净化空气，使大气中的O₂和CO₂含量保持相对稳定；第四、对生物的进化具有重要作用，在绿色植物出现以前，地球上的大气中并没有氧，只是在距今　 12亿至30亿年以前，绿色植物在地球上出现并逐渐占有优势后，地球的大气中才逐渐含有氧，从而使地球上其他进行有氧呼吸的生物得以发生和发展。由于大气中的一部分氧转化为臭氧(O₃)。臭氧在大气上层形成的臭氧层，能够有效地滤去太阳辐射中对生物具有强烈破坏作用的紫外线，从而使水生生物登陆成为可能。经过长期的生物进化过程，最后才出现广泛分布的自然界的各种动植物。

　　 影响光合作用的因素：光合作用是在植物有机体的内部和外部的综合条件的适当配合下进行的。因此内外条件的改变也就一定会影响到光合作用的进程或光合作用强度的改变。影响光合作用强度的因素主要有光照强度、CO₂浓度、温度和矿质营养。

①光照强度：植物的光合作用强度在一定范围内是随着光照强度的增加，同化CO₂的速度也相应增加，但当光照强度达到一定时，光合作用的强度不再随着光照强度的增加而增强。植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用，当植物在某一光照强度条件下，进行光合作用所吸收的CO₂与该温度条件下植物进行呼吸作用所释放的CO₂量达到平衡时，这一光照强度就称为光补偿点，这时光合作用强度主要是受光反应产物的限制。当光照强度增加到一定强度后，植物的光合作用强度不再增加或增加很少时，这一光照强度就称为植物光合作用的光饱和点，此时的光合作用强度是受暗反应系统中酶的活性和CO₂浓度的限制在图5-1。

图5-1

　　 光补偿点在不同的植物是不一样的，主要与该植物的呼吸作用强度有关，与温度也有关系。一般阳生植物的光补偿点比阴生植物高。光饱和点也是阳生植物高于阴生植物。所以在栽培农作物时，阳生植物必须种植在阳光充足的条件下才能提高光合作用效率，增加产量；而阴生植物应当种植在阴湿的条件下，才有利于生长发育，光照强度大，蒸腾作用旺盛，植物体内因失水而不利于其生长发育，如人参、三七、胡椒等的栽培，就必须栽培于阴湿的条件下，才能获得较高的产量。

　　 植物在进行光合作用的同时也在进行着呼吸作用，总光合作用是指植物在光照下制造的有机物的总量(吸收的CO₂总量)。净光合作用是指在光照下制造的有机物总量(或吸收的CO₂总量)中扣除掉在这一段时间中植物进行呼吸作用所消耗的有机物(或释放的CO₂)后，净增的有机物的量。

②温度：植物所有的生活过程都受温度的影响，因为在一定的温度范围内，提高温度可以提高酶的活性，加快反应速度。光合作用也不例外，在一定的温度范围内，在正常的光照强度下，提高温度会促进光合作用的进行。但提高温度也会促进呼吸作用。如图5-2所示。所以植物净光合作用的最适温度不一定就是植物体内酶的最适温度。

图5-2

③CO₂浓度：CO₂是植物进行光合作用的原料，只有当环境中的CO₂达到一定浓度时，植物才能进行光合作用。植物能够进行光合作用的最低CO₂浓度称为CO₂补偿点，即在此CO₂浓度条件下，植物通过光合作用吸收的CO₂与植物呼吸作用释放的CO₂相等。环境中的CO₂低于这一浓度，植物的光合作用就会低于呼吸作用，消耗大于积累，长期如此植物就会死亡。一般来说，在一定的范围内，植物光合作用的强度随CO₂浓度的增加而增加，但达到一定浓度后，光合作用强度就不再增加或增加很少，这时的CO₂浓度称为CO₂的饱和点。如 CO₂浓度继续升高，光合作用不但不会增加，反而要下降，甚至引起植物CO₂中毒而影响植物正常的生长发育。如图5-3所示。

图5-3

　　 ④必需矿质元素的供应：绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素。如氮是催化光合作用过程各种酶以及NADP⁺和ATP的重要组成成分，磷也是NADP⁺和ATP的重要组成成分。科学家发现，用磷脂酶将离休叶绿体膜结构上的磷脂水解掉后，在原料和条件都具备的情况下，这些叶绿体的光合作用过程明显受到阻碍，可见磷在维持叶绿体膜的结构和功能上起着重要的作用。又如绿色植物通过光合作用合成糖类，以及将糖类运输到块根、块茎和种子等器官中，都需要钾。再如镁是叶绿体的重要组成成分，没有镁就不能合成叶绿素。等等。

2．光合色素及其物理性质与功能

　　 叶绿体是进行光合作用的细胞器。叶绿体中的光合色素有叶绿素和类胡萝卜素两类。叶绿素分为叶绿素a和叶绿素b两种，均不溶于水，但易溶于酒精、丙酮、石油醚等有机溶剂中。叶绿素a的分子式为C₅₅H₇₂O₅N₄Mg，呈蓝绿色；叶绿素b的分子式为C₅₅H₇₀O₆N₄Mg，呈黄绿色。叶绿素吸收光的能力极强，如果把叶绿素的丙酮提取液放在光源与分光镜之间，可以看到光谱中有些波长的光被吸收了。因此，在光谱上就出现了黑线或暗带，这种光谱叫吸收光谱。叶绿素吸收光谱的最强区域有两个：一个是在波长为640nm-660nm的红光部分，另一个在波长为430nm-450nm的蓝紫光部分。对其他光吸收较少，其中对绿光吸收最少，由于叶绿素吸收绿光最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。我们在做叶绿素的提取和分离实验时，还会看到一种现象：试管中的叶绿素的丙酮提取液在透射光下是翠绿色的，而在反射光下是棕红色的，这是叶绿素的荧光现象。叶绿体中的类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素两种，颜色分别是橙黄色和黄色，功能是吸收蓝紫光。除此之外还具有保护叶绿素，防止强烈光照伤害叶绿素的功能。

　　 植物叶子呈现的颜色是叶子中各种色素的综合表现。其中主要是绿色的叶绿素和黄色的类胡萝卜素之间的比例。一般来说，正常叶子的叶绿素和类胡萝卜素的分子比例约为4∶1，叶绿素a与叶绿素b的比约为3∶1，叶黄素与胡萝卜素之比约2∶1，由于叶绿素比黄色的类胡萝卜素多，所以正常的叶子总是呈绿色。秋天，因低温、紫外线强烈等外界因素和叶片衰老等内部因素，叶绿素的合成速度低于分解的速度，叶绿素含量相对减少，而类胡萝卜素分子比较稳定，不易破坏。所以叶片逐渐呈现类胡萝卜素的颜色--黄色。至于红叶，是因为秋天降温，体内积累较多的糖分以适应寒冷，体内可溶性糖多了，就形成了较多的花色素，同时秋天叶子内的pH值改变，叶内呈现酸性，使花色素表现出红色。

1．光合作用的实质

　　 通过光合作用的光反应把光能转变成活跃的化学能，通过暗反应把二氧化碳和水合成有机物，同时把活跃的化学能转变成稳定的化学能贮存在有机物中。

5．动物体内的无机盐的代谢

　　 (1)无机盐的吸收

无机盐都是以离子的形式被动物体吸收的。单细胞动物可以直接从外界环境中吸收无机盐的离子，吸收的方式以主动运输为主；高等的多细胞动物只有通过内环境才能从外界环境中吸收无机盐的离子。以哺乳动物为例，吸收无机盐的离子是通过消化道(胃、小肠和大肠)的上皮细胞完成的，吸收的方式以主动运输为主。

　　 (2)盐的功能

无机盐在动物体内的作用可以归纳为两点：一是动物体的结构成分；二是对动物体的生命活动具有调节作用。如：

N是蛋白质的组织成分，参与细胞和生物体的结构。酶是蛋白质，某些激素也是蛋白质，这些物质对生命活动具有调节作用，所以N也参与了生命活动的调节。

P是核酸的组织成分，也是磷脂的组成成分，参与了细胞和生物体的结构。ATP中含磷酸，所以磷酸也参与了动物体内的能量代谢过程。

Na在动物体内是一种必需元素，主要以离子状态存在。但在植物体内不是必需元素。Na⁺可以促进小肠绒毛上皮细胞对葡萄糖和氨基酸的吸收。在神经冲动的发生和传导过程中起重要作用。

Ca在动物体内即是一种结构成分(如骨骼和牙齿中主要是钙盐)，人对生命活动也具有调节作用，如哺乳动物血液中的Ca²⁺浓度过低，动物就会出现抽搐；血液中的Ca²⁺具有促进血液凝固的作用如果用柠檬酸钠或草酸钠除掉血液中的Ca²⁺,血液就不会发生凝固。人体长期缺钙，幼儿会得佝楼病，成年人会得骨质疏松症。预防和治疗的办法是服用活性钙和维生素D。

Fe在哺乳动物体内是血红蛋白的一种成分，没有Fe就不能合成血红蛋白。血红蛋白中的Fe是二价铁，三价铁是不能利用的。铁都是以二价铁离子的形式被吸收的。铁也是某些酶的活化中心。

　　 (3)无机盐的排出

在单细胞动物体内，无机盐直接被排到外界环境中。但在多细胞动物体内细胞排出无机盐必须通过内环境才能完成。多细胞动物(以哺乳动物为例)排出无机盐的途径主要有两条：一是通过肾脏，以尿液的形式排出体外；二是通过皮肤，皮肤的汗腺分泌汗液。前者是主要的。但如果一个人在高温环境时间过长，大量长时间出汗，会因通过汗液排出过多的无机盐而影响到生命活动的正常进行，这时需喝一些淡的食盐水，以补充无机盐，保证生命活动的正常进行。

[经典例题解析]

　　 [例题1]　 　下图所示的曲线为表示呼吸强度与根对矿质元素离子吸收的数量关系(横轴表示呼吸的强度，纵轴表示离子吸收量)，其中正确的是(　　 )

　　 [解析]　 根对矿质离子的吸收量与呼吸强度的关系是：在一定范围内，随着呼吸强度的增加，提供的能量(ATP)增多，矿质离子吸收的速度也会增加，但超过了一定的范围，由于运载离子的载体饱和了，也就不会再继续增加。

[答案]　 B

　　 [例题2] 　植物根尖成熟区细胞的细胞膜上运载矿质离子的载体至少有(　　 )

　　 A 13种　　　　　 B．16种　　　　　　 C．17种　　　　　　 D．几十种

　　 [解析]　 解这道题目必须弄清3个知识点。一是植物必需的元素与必需的矿质元素，植物的必需元素有16种，但必需的矿质元素是除C、H、O外的13种元素；二是细胞膜运载离子的载体是蛋白质，它具有专一性，它只能运载一种相应的离子；三是植物根系对矿质元素的选择吸收决定于根细胞膜上的载体的种类和数量。所以植物的必需元素中有13种是属于矿质元素，根细胞的膜上就必需至少有13种矿质元素离子的载体。

[答案]　 A

　　 [例题3]　 　缺镁和缺铁都会使植物失绿(即叶片发黄或发白)，你认为下列关系植物缺镁和缺铁后失绿的部位的分析，正确的是(　　 )

　　 A．缺镁，嫩的部位先失绿；缺铁，老的部位先失绿

　　 B．缺镁，老的部位先失绿；缺铁，嫩的部位先失绿

　　 C．缺镁和缺铁都是老的部位先失绿

　　 D．缺镁和缺铁都是嫩的部位先失绿

　　 [解析]　 详见“重点知识联系与剖析”中的“植物的矿质代谢”。

[答案]　 B

　　 [例题4]　 将一张洋葱鳞片叶放在某一浓度的蔗糖溶液中，制成装片，放在显微镜下观察，有3种状态的细胞，如下图。你认为这3个细胞在未发生上述情况之前，其细胞液的浓度依次是(　　 )

　　　 A．A＞B＞C　　　 　B．A＜B＜C　 　　　C．B＞A＞C　　　　 D．B＜A＜C

　　 [解析]　 解这一道题目首先要理解，在同一张洋葱鳞片叶上的各表皮细胞之间是存在着差异的，即各表皮细胞的细胞液浓度是不完全相同的。将洋葱鳞片叶置于一适宜浓度的蔗糖溶液中时，发生了质壁分离，有些未发生质壁分离。发生质壁分离的细胞，其细胞波的浓度低于蔗糖溶液的浓度，质壁分离程度越大，说明其细胞浓浓度越低。未发生质壁分离的细胞细胞液浓度等于或略大于蔗糖溶液浓度。如果图中所示的同一张洋葱鳞片叶上的3个细胞已与外界溶液保持平衡，那么这3个细胞的细胞浓浓度已经相等，但在未发生上述情况之前，这3个细胞的细胞浓浓度应是：A＞B＞C

　 [答案]　 A

　 [例题5]　 在干旱地区正常生长的一棵植物，从理论上推测，其体内哪一部位的细胞细胞液浓度最高、渗透压最高(　　 )

　　 A．根毛区细胞　　　　　　　 B．叶肉细胞

　　 C．导管细胞　　　　　　　　 D．茎的皮层细胞

[解析]　 水分的纵向运输是通过导管进行的，导管是由一个一个导管细胞连在一起而形成的一根连续的管子，根、茎、叶中的导管是连续的，而且是封闭的管道。导管不直接暴露在空气中，在导管的周围包围着数层薄壁细胞。在叶片中，因蒸腾作用而失去水分时，叶肉细胞的细胞液浓度增大，细胞的水势很低(即渗透压很高)，通过渗透作用从导管中吸水，导管中失去水分后，导管的压力就下降，在一般情况下，导管的压力始终是个负值，压力很低，就从根毛区内层薄壁细胞的吸取水分，所以根毛区内层薄壁细胞中的水分就会进入导管。导管中的水溶液浓度是很低的，导管能从根毛区的皮层细胞中吸取水分是依赖于导管中的负压。内层细胞的细胞液浓度比外层细胞的高，渗透压比外层细胞(特别是根毛细胞)的高，根毛细胞的细胞液浓度比其内层的细胞要低，所以水分就源源不断地从根毛细胞进入导管。如下图所示。根据正常植物体内水分子的运动方向，可判断细胞液浓度最高的部位应是叶肉细胞。

[答案]　 B

　　 [例题6]　 在探索起源的研究中，美国学者米勒设计了下图所示的实验装置，在该装置的烧瓶中模拟原始大气成分充入甲烷、氨、水蒸气、氢等气体进行火花放电，最后在U形管内检验出有氨基酸生成。

　　 (1)火花放电为无机小分子生成有机小分子创造了条件，其机制是(　　 )

　　 A．通过电场将气体电离或断开化学键

　　 B．通过电场使气体分子加速

　　 C．通过电场使气体分子能级增大

　　 D火花放电发出的光导致化学反应

　　 (2)U形管相当于(　　 )

　　 A．原始大气　　　　　　　　　　 B．原始海洋

　　 C．原始陆地　　　　　　　　　　 D．原始生物圈

　　 (3)500mL烧瓶处的加热和冷凝器的配合模拟原始大气的(　　 )

　　 A．大气对流　　　　　　　　　　 B．气温变化

c．气压变化　　　　　　　　　　 D．大气环流

　　 [解析]　 生命起源过程中的能源是宇宙射线、紫外线、闪电等，这些能源能将原始大气中的一些气体分子发生电离或使其中的一些化学健断开，使各种离子或原子之间重新组织而形成有机小分子物质。大气中形成的有机小分子物质由于雨水的冲涮而流入原始海洋，在原始地球上的大气层也存在着与现在的地球大气中基本一样的大气对流现象。米勒的实验主要是模拟原始大气的一些自然现象，并证明在这种自然现象的条件下确实能生成有机小分子物质。

[答案]　 (1)A；　 (2)B；　 (3)A。

[例题7]　 (1996年上海高考试题)将人体血液置于 9%食盐溶液中制成装片后，用显微镜观察，可以发现血细胞呈现(　　 )

A.质壁分离　　　　　 B．正常状态　　 　　 C.细胞膜破裂　　　　　　 D．细胞皱缩

　　 [解析]　 人体血液中的血细胞悬浮于血浆中，血细胞与血浆是等渗的，维持着血细胞的正常形态。血浆与 0．9%的NaCl溶液等渗，所以将0．9%的NaCl溶液称为生理盐水。9%的食盐溶液的浓度远远大于生理盐水的浓度，渗透压也远高于生理盐水。所以将血浆置于9%生理盐水中时，其中的血细胞就处于高渗溶液中，血细胞失水，细胞皱缩，但没有质壁分离现象，因为动物细胞没有细胞壁。如果将血液置于清水，由于清水的溶液溶度接近零，渗透压也接近零，低于生理盐水，故血细胞会吸水膨胀，甚至会破裂。

[答案]　 D

　　 [例题8]　 下图中的哪一条曲线能正确地反映种子的含水量与呼吸作用强度之间关系的曲线(　　 )

　　　 A．Ⅰ　　　　　　 B．Ⅱ　　　 　 　 C．Ⅲ　　　　　　　 D．Ⅳ

　　 [解析] 　详见“重点知识联系与剖析”。

[答案]　 A

　　 [例题9]　 下图中的甲、乙图是渗透装置示意图，丙图是根毛细胞示意图，请根据甲、乙、两三图回答下列问题：(甲图是发生渗透作用的初始状态，乙图是发生了较长时间的渗透作用之后，通过漏斗内外的水分子达到平衡时的状态。甲图中：①为清水，②为30%的蔗糖溶液，③为半透膜)

　　 (1)典型的渗透装置必须具备2个条件：①________________________；(指明图中相应部位)②___________________________________。

(2)比较甲图中①和②处溶液浓度的大小○＞○。

(3)若甲图膜内外水分子运动达到平衡时，需测哪些物理量才能求出此时的渗透压，请写出过程。

(4)丙图中④的名称为_____，甲图中的③相当于丙图中的_______，它与丙图中相应结构的区别是__________________________。

(5)若把根毛细胞放入30%的蔗糖溶液中，它将出现__________，再放人清水中，它又出现_____________。

　 (6)若把根毛细胞放人90%的蔗糖溶液中，它会出现________，过一段时间再放人清水中，此时根毛细胞与上题中放人清水中的变化是_________。其原因是_________________。

(7)盐碱地中的植物常出现萎蔫现象，其原因是________________________________。

　　 [解析]　 本题以渗透作用的实验为切入点，联系有关的物理和生物学知识及有关实验内容，考查学生对知识的综合运用能力及观察能力。此题考查的知识点有渗透作用、发生渗透的2个基本条件、扩散作用、压力、压强、静水压、分子的运动、密度、原生质层与选择透过性膜、质壁分离及质壁分离复原等。

　　 (1)渗透装置中发生渗透作用需要2个基本条件：半透膜及膜两侧的浓度差，成熟的根毛细胞发生渗透作用也需要这2个基本条件。但是，物理装置中的半透膜与成熟植物细胞内的半透膜是有本质区别的，植物细胞内的半透膜具有选择吸收的特性，所以称为选择透过性膜，在植物细胞内就是指原生质层。此题的正确答案就为“具有[③］半透膜；膜两侧具有浓度差。”

(2)由于甲图中①为清水，②为30%的蔗糖溶液，因此②的浓度大于①的浓度。

　　 (3)甲图中由于半透膜无选择吸收的特性，它允许水分子及溶剂分子通过膜，这样就造成了膜两侧水分子的相对运动。当通过膜的渗透压等于漏斗内静水压时，水分子通过半透膜的运动趋于平衡，这时测得漏斗内液面高度(如图),再用密度计算出漏斗内蔗糖溶液密度，就能利用公式 P_静=ρgh；求出此时的静水压。

　　 需测量漏斗内溶液的密度，液面到渗透膜的高度h₁和漏斗外水面到渗透膜的高度h₂如下图所示。漏斗内液体对渗透膜的压强 ＝gh；，漏斗外水对渗透膜的压强 p₂＝ρ_水gh₂漏斗内的压强 p₁大于漏斗外水的压强p₂，压强差为△p＝p₁-p₂＝gh₁－gh₂，渗透压p_渗等于漏斗内外液体的压强差△p，即p_渗=△p＝gh₁一gh₂。

(4)丙图中的④包括细胞膜、细胞质、液泡膜，因此称为原生质层，相当于甲图中的③。二者之间的区别是甲图中的③属于半透膜，没有选择透过性，而丙图中的④主要是由生物膜构成的，具有选择透过性。

(5)把根毛细胞放入30%的蔗糖溶液中，由于根毛细胞细胞液浓度小于30%蔗糖溶液浓度，因而根毛细胞失水，会出现质壁分离现象。若把发生质壁分离现象的根毛细胞再放入清水中，由于根毛细胞细胞液浓度大于清水浓度，因而根毛细胞吸水，过一段时间又会出现质壁分离复原现象。

(6)若把根毛细胞放入 90%蔗糖溶液中，会出现质壁分离现象(原理同上题)。过一段时间再放入清水中，由于蔗糖溶液浓度过高，根毛细胞失水过多。会导致根毛细胞死亡，因此与上题的变化不一样，不能出现质壁分离后的复原现象。

　　 (7)土壤溶液浓度较高，接近甚至超过根毛细胞细胞液的浓度，造成根毛细胞吸水发生困难，甚至失水，植株出现萎蔫现象。

[答案]　 参考解析。

　　 [例题 10]　 [2001年全国高考理科综合(天津、山西)卷]人体发生花粉过敏反应时，由于毛细血管壁的通透性增加，血浆蛋白渗出，会造成局部(　　 )

　　 A．血浆量增加 　　　 B．组织液减少　　　 C．组织液增加　　　 D．淋巴减少

　　 [解析]　 这是一道将渗透作用原理与有关人体生理的知识相结合的题目。从认知层次看属于理解水平的，估计难度系数在0．7左右。正确解答这道题目的关键是能够从题意中找到发生渗透作用的关键的结构--毛细血管壁，把毛细血管壁简单地看作是一种半透膜，半透膜两侧的溶液是：膜的内侧是血浆，外侧是组织液。在正常情况下组织液和血浆是能够保持渗透平衡的。但发生过敏反应后，毛细血管的通透性增加，血浆蛋白渗出进入组织液，使组织液的浓度相对升高，血浆的浓度相对降低，即组织液的渗透压相对增高，血浆的渗透压相对下降。结果使血浆与组织液之间的渗透平衡被打破，使血浆中的水分更多地渗透到组织液中，使组织液增加，出现局部浮肿。

[答案]　 C

4．生物固氮

　　 (1)固氮微生物的种类

自然界中固氮微生物有两类：共生固氮微生物和自生固氮微生物。

共生固氮微生物是指与一些绿色植物互利共生的固氮微生物，如根瘤菌等。共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中分子态氮。根瘤菌固定的氮素占自然界生物固氮问题的绝大部分。

自生固氮微生物是指在土壤中能够独立进行固氮的微生物，其中，多数是一类称为处生固氮菌的细菌。自生固氮微生物的固氮过程对植物没有依存关系。

　　 (1)根瘤菌与豆科植物的共生关系

　　 根瘤菌性中的每一种细菌都与某几种豆科植物专一性地对应，每种根瘤菌只和与其有专一性对应的几种豆科植物建立共生关系形成根瘤，不与其他种类的植物共生形成根瘤。原因是豆科植物的根毛能够分泌一类特殊的蛋白质，根瘤菌细胞的表面存在着多糖物质，只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白质与同族根瘤菌表面的多糖物质才能产生特异性的结合。

根瘤菌与豆科植物共生过程中，建立了互利的关系，豆科植物为根瘤菌提供碳水化合物和能量，根瘤菌为豆科植物提供化合态的氮(NH₃)。

　　 (2)固氮的原理

　　 生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程。完成生物固氮必须在固氮酶的参与下才能完成。固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶，生物固氮可以用下面的反应式概括表示：

　　 N₂+6H⁺+nMg一ATP+6e^-2NH₃+nMg一ADP+nPi

从上面的反应可以看出，分子氮的还原过程是在固氮酶的催化作用下进行的。在固氮酶将N₂还原成NH₃的过程中，需要e和H⁺，e和H⁺来自植物体内的其它化学反应。还需要ATP提供能量，同时必须在Mg的参与下才能完成。生物固氮的过程非常复杂，简单地说，在ATP酶提供能量的情况下，e和H⁺通过固氮酶传递给N₂和乙炔(C₂H₂)，使它们分别还原成NH₃。和乙烯(C₂H₄)，如下图所示。

　　 固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含铁和钼，称为钼铁蛋白。只有钼铁蛋白和铁蛋白同时上，固氮酶才具有固氮的作用。

固氮微生物需氧，而固氮必须是在严格的厌氧微环境中进行。组成固氮酶的两种蛋白质，钼铁蛋白和铁蛋白，对氧极端敏感，一旦遇氧就很快导致不可恢复的失活，而多数的固氮菌都是好氧菌，它们要利用氧气进行呼吸和产生能量。固氮菌在进化过程中，发展出多种机制来解决既需氧又防止氧对固氮酶的操作损伤的矛盾。其中之一是固氮菌以较强的呼吸作用迅速地将周围互不干涉中的氧消耗掉，使细胞周围处于低氧状态，保护固氮酶不受损伤。

　　 (4)自然界中氮的循环

　　 氮素在自然界中有多种存在形式，其中数量最多的是大气中的氮气，总量约3．9×10¹⁵t。除了少量原核生物以外，目前，陆地上生物体内储存的有机氮的总量达1．1×10¹⁰-1.4×10¹⁰t。这部分氮素数量尽管不算多，但是能够迅速地再循环，从而可以反复地供植物吸收利用。存在于土壤中的有机氮总量约为 3．0×10¹¹t，这部分氮素可以逐年分解成无机态氮供植物吸收利用。海洋中的有机氮约为 5．0 ×10¹¹t这部分氮素可以被海洋生物循环利用。

　　 构成氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。

　　 生物体内有机氮的合成是指：植物吸收土壤中的氨盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮，动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体中的有机氮，这一过程称为生物体内有机氮的合成。

　　 氨化作用是指：动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨的过程。

　　 硝化作用是指：在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐的过程。

　　 反硝化作用是指：在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中。

大气中的分子态氮被还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮(高温、高压和化学催化的方法将氮转化成氨)和高能固氮(如闪电等高空瞬间放电所产生的高能，可以使空气中的氮与水中的氢结合，形成氨和硝酸，氨和硝酸则由雨水带到地面)。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90%左右，可见生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。

(5)生物在农业生产中的应用

　　 ①固定氮素肥料，减少化肥使用量，既节约了能源，又保护了环境。

　　 ②对豆科作物进行根瘤菌拌种，提高产量。

③用豆科植物做绿肥，提高土壤肥力和有机质，发育土壤结构，改良土壤通气性和保水性。　

④使用自生固氮菌菌剂提供农作物氮素营养和促进农作物生长。

　　 (6)固氮酶及其基因与现代生物技术

人们曾经希望从固氮微生物中得到所有固氮所需的基因，然后将其转人到非固氮生物中，使非固氮生物具有固氮功能，并希望非固氮微生物在导入基因后能维持固氮所需的生理条件，但仍未实现。

3．植物的矿质代谢

　　 矿质元素是指植物通过根系从土壤中吸收的元素，除C、H、O外，其他的必需元素都属于矿质元素。关于植物必须元素的确定是通过水塔法的实验得到确认的。其实验设计是，用缺少某种元素的不完全营养液培养植物，观察它是否能完成整个生命周期，如在生长发育过程中出现病症而不能完成整个生命周期，但添加这种元素后就能恢复正常并能完成整个生命周期，则这种元素就可确定为是植物的必需元素。矿质元素在植物体内的作用可以归纳为两点；一是构成植物体的成分；二是对植物的生命活动具有调节作用。

　　 植物的矿质代谢过程包括矿质元素的吸收、运输和利用。

　　 植物对矿质元素的吸收包括两个过程：先交换吸附后主动运输。主动运输是主要的，主动运输是一个需要消耗能量的过程，而且还需要载体。载体具有专一性，一种载体只能运输一种矿质离子，所以植物对故质离子的吸收具有选择性。植物吸收矿质离子的速度与溶液中该离子的浓度是不成比例的。换句话说，溶液中离子的浓度在一定的范围内，植物吸收矿质离子的速度会随溶液中离子浓度的增加而加快，但超过一定浓度后，吸收的速度就不再随离子浓度的增而增加了，其主要原因是根细胞膜上运输该离子的载体饱和所致。如下图所示。

植物对矿质离子的吸收速度与离子浓度的关系

　　 植物吸收矿质元素的过程与呼吸作用有关密切的关系，呼吸作用(有氧呼吸)为交换吸附提供H⁺和HCO₃^-，为主动运输提供能量。所以凡是影响到植物根系呼吸作用的因素都会影响到植物根系对矿质元素的吸收，如温度、氧气、CO₂、水等。中耕松土可以提高肥效就是一例。

　　 植物对矿质元素离子的运输有两种方式：纵向运输(长途运输)，是指在导管中随水分从根部运输到茎、叶中的运输，是蒸腾作用，这个过程不消耗ATP；横向运输(短途运输)是指在一个细胞到另一个细胞之间运输矿质元素离子的过程，是一个主动运输的过程，是要消耗ATP的。在一般情况下植物对矿质元素离子的运输是在导管中的长途运输。

矿质元素离子在植物体内能否重复利用，取决于其存在状态。以离子状态(如K⁺)和易溶的、不稳定的化含物状态(叶绿素、蛋白质、核酸等)存在的矿质元素离子是可以被植物体重复利用的；以难溶的、稳定的化含物状态(如Ca²⁺、Mg²⁺)存在的矿质元素离子是不可以被重复利用的。如果植物体内缺少可以重复利用的元素，发生病变的部位常在老熟的部位，缺少不可以重复利用的元素，发生病变的部位常在幼嫩的部位。