生物的呼吸作用

　　“如果有人向学生请教怎么能长期储存农作物种粒、蔬菜或水果，学生能利用学过的呼吸作用原理，提供一些有价值的建议或措施吗？”

　　本题实际是要学生来分析如何控制储存室的环境因素，即贮藏条件。

　　农作物种粒、蔬菜或水果都是有生命的，不断地进行着呼吸作用。如果呼吸速率快，会引起有机物的大量消耗，造成储存量减少而且影响品质；呼吸作用放出的水，又会造成储存环境湿度过大；呼吸放出的热量，会使储存环境温度升高；高温、高湿的环境会使储存室中的有害细菌、霉菌大量滋生繁殖，导致作物种子、蔬菜或水果腐烂变质；同时高温、高湿的环境反过来又会进一步加快呼吸作用的速率，造成恶性循环。

　　因此为了能达到长期储存的目的，人们总是希望储存物的有氧呼吸或无氧呼吸都减弱一些。大家都知道，呼吸作用是受控状态下对葡萄糖的氧化分解过程，而酶是调控这一过程的关键因素之一，同时酶又受到诸多因素的影响。因此，凡能影响呼吸作用过程中酶的各种因素，就必然会影响呼吸作用的速率。

　　哪些因素会降低呼吸作用呢？

　　其一是储存湿度，即作物种子含水量这个因素。我们知道，当生物体中自由水与结合水的比例升高时，其代谢速率就会相应增强，因此对作物种子而言，入库前的晾晒是必须的，而且种子含水量要低于一定标准时才准入库。有关部门规定的安全水分标准：在长江下游地区，小麦种子含水量是12.5%以下，稻谷是14.5%以下；广东省，稻谷是13.5%以下，因为南方高温多湿，要求更高一些。实验发现，稻谷等种子含水量超过14.5%时呼吸速率即会骤然上升。

　　其二是储存温度因素。酶活性在一定温度范围内，是随着温度的升高而增强的，因此降低储存室的温度也是行之有效的方法之一。

　　其三是氧气浓度。氧气是有氧呼吸的原料，二氧化碳是呼吸作用的产物，根据化学平衡原理，降低反应物浓度或增加产物浓度都会降低呼吸作用的速率。如番茄储存过程中可抽去空气，补充氮气，把氧浓度调节到3-6%左右，这样，番茄可贮藏1个月甚至3个月以上。

　　这里有一个问题必须提一提，有的同学认为：把氧气浓度减得越低，呼吸作用速率就越低，这种看法对吗？不完全对，当环境中无氧气时，有些植物细胞可进行无氧呼吸，而氧气的存在可以起到抑制无氧呼吸的作用，因此氧气应调节到一个合适浓度，在这个浓度下，氧气浓度无论对无氧呼吸还是有氧呼吸都可起抑制作用。

　　当然，为了长期储存作物种粒、蔬菜或水果，还应注意防治害虫、消毒灭菌、保鲜保质等诸多问题。

　　综上，大致归纳出储存环境的三点最基本要求是低温、低湿、低氧。

　　2、无氧呼吸

　　（1）无氧呼吸的概念

　　教师可引导学生讨论：“生物体在什么情况下，可能会供氧不足？”，这样很自然地有了下一设问：“在缺氧条件下，生物体如何呼吸呢？”。从而引入对无氧呼吸的学习。

　　教师应向学生解释我们平常所说的呼吸作用实际上指的有氧呼吸，它是在有氧的条件下进行的。无氧呼吸一般是指细胞在无氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解成不彻底的氧化产物，同时释放出少量能量的过程。这个过程对于高等生物称为无氧呼吸，如果是微生物（如乳酸菌、酵母菌），则习惯上称为发酵。细胞内无氧呼吸的场所是细胞质基质。

　　（2）无氧呼吸的过程

　　教师可采用一边写化学方程式，一边让学生配平反应式的方法进行教学，引导学生分析讨论高等植物细胞的无氧呼吸过程及其场所、高等动物细胞的无氧呼吸过程及其场所。

　　最后总结无氧呼吸的全过程

　　第一阶段：在细胞质的基质中，与有氧呼吸的第一阶段完全相同。

　　第二阶段：在细胞质的基质中，丙酮酸在不同酶的催化下，分解为酒精和二氧化碳，或者转化为乳酸。

　　对基础较好的班，可适当补充无氧呼吸进化到有氧呼吸的历程：在远古时期，地球的大气中没有氧气，那时微生物的呼吸都是无氧呼吸。随着大气中出现了氧气，细胞内出现了有氧呼吸的酶类，在无氧呼吸的基础上发展出有氧呼吸。由于有氧呼吸比无氧呼吸产生更多的ATP，为生物体提供更多的可做功的自由能，有氧呼吸逐渐成为绝大多数生物的主要呼吸形式。有些生物的无氧呼吸的能力一直保留到现在，使这些生物体或部分器官组织在缺氧条件下仍可提供生命活动所需的能量，这充分体现了在分子水平同样有着生物对环境的适应现象。

　　为使学生加深对无氧呼吸的理解，教师可设计一些问题供学生讨论：

　　①无氧呼吸的产物有酒精或乳酸，其产物的差异由什么决定的？

　　②为什么无氧呼吸释放出的能量比有氧呼吸要少得多？

　　在无氧呼吸中，葡萄糖并不是完全的氧化反应，产生酒精和乳酸的过程中还有还原反应，因此产生的是不彻底的氧化产物，分解时所释放出的能量比有氧呼吸释放出就少得多。例如，1mol葡萄糖在分解成乳酸后，共释放出196.65kJ的能量，其中有61.08kJ的能量含有存在ATP中，其余的能量都以热能的形式散失了。

　　③能进行有氧呼吸的生物，如酵母菌，在缺氧情况下进行无氧呼吸，为什么在有氧气存在的条件下，无氧呼吸会受到抑制？

　　但由于缺氧，葡萄糖不能彻底分解，产生的酒精或乳酸等分解不彻底的产物中还储存着许多能量，所以释放出的能量较少，如果长期缺氧就难以维持正常的生命活动；同时无氧呼吸产生的酒精或乳酸对生物体也有一定的毒害作用，因此能进行有氧呼吸的生物不能忍受长时间的无氧呼吸。

　　④为什么酵母菌由无氧呼吸转为有氧呼吸后，其葡萄糖的消耗量会大大降低（即所谓的巴斯德效应）？

　　⑤你能在生活实际中列举出实例来说明在酒精或乳酸中还储存着能量吗？

　　3、有氧呼吸与无氧呼吸的比较

　　有氧呼吸和无氧呼吸从葡萄糖到丙酮酸这一阶段完全相同，只是从丙酮酸开始它们分别沿不同的途径形成不同的产物。

　　教师可引导学生用表解的形式比较有氧呼吸与无氧呼吸的异同

项目

有氧呼吸

无氧呼吸

呼吸场所

第一阶段在细胞质基质，第二、三阶段在线粒体

全过程均在细胞质基质

是否需氧

第一、二阶段不需要氧气，第三阶段需要氧气

全过程均不需要氧气

氧化分解是否彻底

彻底

不彻底

氧化产物

二氧化碳和水

有小分子有机物存在于最终氧化产物中，如酒精或乳酸

能量释放

释放出大量能量

释放出少量能量

产生ATP数目

1mol葡萄糖可产生36或38molATP

1mol葡萄糖可产生2molATP

是否需酶

需要酶

需要酶

化学本质

氧化分解有机物，释放能量

氧化分解有机物，释放能量

　教师为学生提供有价值的，与学生生活密切相关的讨论话题，以强化对二者联系的理解。如可提问题：

　　①你每天都进行很多运动吧？你是否想过，当你进行不同形式的运动时，你的身体其实采用不同的方式为你供能呢？

　　这个问题涉及了人体不同运动所利用的能源物质和产能方式的问题。

　　糖类、脂肪、蛋白质都可以提供能量，但糖类是体育活动的主要能源。

　　我们先以运动员的训练为例：

　　运动员训练所消耗的绝大数能量来源于葡萄糖和糖元。在任何运动的最初半个小时内，能量的主要来源都是肌肉中的糖元。肌肉通常能储存大约275克糖元，足以供给90分钟以内运动所需要的“燃料”；90-120分钟的持续运动之后，糖元的储存量减小，而肌肉则开始利用血糖中的能量。储存的糖元一旦被用光，运动员就精疲力竭。

　　储存在皮下和肌肉中的脂肪虽然储存的能量多，但不如糖类的能量那样易被利用，在运动员运动30分钟后才会有较多的脂肪被转化为能量。脂肪的利用量越多，消耗的糖元就越少。因为糖元的储存量是有限的，而脂肪的储存量相对丰富，所以对于持久的运动来说，脂肪是更好的能源，但它不能像糖类那样可迅速地转变为能量，而且需要更多的氧气去氧化它。

　　人们长期以来误认为运动员最重要的养分是蛋白质，如古代的运动员强调高蛋白饮食，但实际上人体只有在饥饿或极度营养不良时才使用蛋白质作为直接的能源，所以蛋白质对运动员的能量需要起不到太大的作用。

　　再说说你吧。

　　你的身体可根据运动的强度、运动持续的时间和频繁程度而利用不同量的糖类和脂肪。

　　而且你的运动有可能是厌氧的，也有可能是需氧的。厌氧运动一般是高强度、短时间的，这时肌肉不能及时获得其所需要的全部氧气，这类运动包括200-400米短跑、50米游泳、举重、足球、篮球、排球等，这些运动需要在短时间内迅速爆发性地提供大量能量。在厌氧运动中人体主要是利用糖元，虽然每次爆发运动的持续时间不长，但多次累积的结果也会导致糖元的耗尽。

　　需氧运动的强度方面一般是低等到中等程度的，但持续时间长，例如马拉松赛跑、长距离游泳或骑自行车、慢跑等。在这些运动中，肌肉细胞能够获得它们所需要的绝大部分氧气，能源物质大约70%来自于糖元，其余来自于脂肪。

　　通过上面的分析学生可能已经知道，生物体产生ATP的方式大致有三：有氧呼吸（大量）、无氧呼吸（少量）及磷酸肌酸中能量的转移（少）。在不同的生理状态下，主要通过何种途径形成ATP，就需要理解有氧呼吸、无氧呼吸、磷酸肌酸的反应产物及供能的特点。

　　当你进行长跑时（比如说5000跑或10000米跑，要提问学生是否跑过），此时为需氧运动，此过程中供能的主要方式是有氧呼吸；

　　当你进行200米跑时为厌氧运动，此过程中主要的供能方式是无氧呼吸，而人体糖类物质无氧呼吸产物是乳酸，因此血液中乳酸含量显著增加；

　　当你进行100米跑时情况较为特殊，此过程特点是在非常短的时间内从静止状态达到高速状态，需要消耗大量的能量，但此时有氧呼吸，甚至于无氧呼吸都没有及时被调动起来，以适应这种高能量需求，怎么办呢？原来此时ATP的合成完全依靠体内高能化合物磷酸肌酸的能量转移。当磷酸肌酸分解为肌酸和磷酸时，能释放出大量的能量迅速形成ATP，供机体剧烈运动时对能量的需求。要注意由磷酸肌酸转移到ATP的能量是非常有限的，不能维持较长的时间。

　　学生会有这样的常识，就是当自己剧烈运动（如400米跑）后，机体已不处于运动状态，还会持续剧烈呼吸一段时间？刚才提到过，人体在厌氧运动时，无氧呼吸占优势，人体在需氧运动时，有氧呼吸占优势，其实只要人处于剧烈运动中，不论是厌氧运动还是需氧运动，都会有无氧呼吸存在，而细胞的无氧呼吸都会有糖类物质转化为乳酸，这是人体细胞尤其是肌肉细胞处于缺氧状态时产生ATP的一种应急手段。由于乳酸可在肝脏再转化为丙酮酸，进而在有氧条件下被彻底氧化为二氧化碳和水，而把乳酸间接氧化为二氧化碳和水的过程中需要大量氧气。因此，剧烈运动后的一段时间的深呼吸实际上是使人体摄入更多的氧气，以抵偿在运动时氧气的亏欠，所以有一个有趣的名字来说明此种现象，叫“还氧债”。

　　②病毒进行有氧呼吸还是无氧呼吸？

　　正确的答案是：病毒既不进行有氧呼吸，也不进行无氧呼吸。那么病毒进行各种生命活动的能量，即ATP从何而来呢？原来，病毒是一种非常特殊的生命体，它所需的ATP、合成蛋白质所需的氨基酸，复制、转录所需的核苷酸等物质全部是从宿主细胞（即病毒所寄生的活细胞）中获得。所以说，病毒只能生活在活细胞中，一旦离开了活细胞，病毒