《生态系统中能量流动》中的几个常见的误区

生态系统的能量流动是生态系统的重要功能之一，是高中教材生态学部分的核心内容，属于高考考查的重点，也是学生学习的难点，倍受命题者青睐。然而在对能量流动的概念、过程及特点的理解等问题上，广大师生普遍反映比较困惑，存在不少认知偏差甚至命题上的失当。结合多年的教学研究，就其中几个典型认知误区进行阐述，希望对教与学都能有所帮助。
　　1、误区之一：把摄入的总能量当成该营养级同化的总能量
　　简析：要理清它们之间的关系，必须对食物链中各环节能量流动的来龙去脉进行仔细的梳理和深刻的分析。首先，要了解某营养级生物(消费者)粪便所含物质的来源。粪便一般是人或动物的食物残渣排泄物。食物残渣在大肠内，其中一部分水分和电解质等被大肠黏膜吸收，经过细菌的发酵和腐败作用，即变成粪便排出体外。粪便含有食物中不消化的纤维素，消化道脱落的上皮细胞、黏膜碎片和大量细菌，还有未被吸收的消化道分泌物，如黏液、胆色素、黏蛋白和消化液等。对照同化作用的概念，不难发现，这其中来自于食物而未被消化吸收部分的能量，并没有被这一级消费者所同化，实质上还属于上一营养级流向分解者的一个能量分支，而不是本级消费者流向分解者的能量。可见摄入的总能量并没有全部被该消费者所同化，当然也就不能看成是该营养级同化的总能量。
　　同时提醒，粪便中还有少部分能量不是来自于食物残渣，如前面提到的消化道脱落的上皮细胞等排泄物中的能量，因此，不能统一地把粪便中的能量就全部归于上一营养级的生物。关于它们之间的关系大致可以这样来概括：摄食的能量=同化的能量+粪便中的部分能量，以便学生理解。
　　2、误区之二：把同化效率等同于能量传递效率
　　有这样一道判断题：“一只兔子吃了10kg草，这些草中的能量只有10％～20％转移到兔子体内。”对此题干中存在的错误，许多学生视而不见，只重视了“10％～20％"区间范围，而忽视了对“10％～20％”本身含义的理解和它的适用范围。
　　简析：能量传递效率又叫做林德曼效率，是指n＋1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比或相邻营养级间的同化能量之比。而同化效率指植物吸收的日光能中被光合作用所固定的能量比例，或被动物摄食的能量中被同化了的能量比例。同化效率＝被植物固定的能量，植物吸收的日光能或＝被动物消化吸收的能量／动物摄食的能量。显然，此判断题所涉及到的概念是后者。同化效率的高低不仅取决于该生物所处的营养级，还因食物性质或类型不同而有明显的差异，通常肉食动物的同化效率要高于植食动物。同化效率这个概念中学阶段并不重要，关键是要对题干所陈述的内容进行认真审核，去比对能量传递效率概念，谨防将“10％～20％”张冠李戴，到处滥用。
　　混淆同化效率和能量传递效率这两个概念，是这一部分最普遍的问题，有时甚至反映在命题方面的失误，如“在植物一昆虫一蛙一蛇这条食物链中，若蛇增加1 g体重，至少要消耗植物多少g?(参考答案：125 g)长期以来已很少有人去质疑此类命题或解题的科学性，只注重对“至少”的理解要用“最大”传递效率去解决问题，殊不知这其实还是个同化效率的问题，试想一下，若从答案顺推，此题不就相当于“昆虫消耗(摄食)125 g植物，昆虫可以增重25 g，然后______”，难道被昆虫已经摄入的这125 g植物要同化为昆虫的物质也该按传递效率计算?
　　3、误区之三：把能量与物质等价换算
　　简析：物质作为能量的载体，两者相互依存，彼此之间肯定存在一定对应关系，折算相当复杂。食物中的能量主要蕴含在干物质中，干物质中约有90％左右是有机物质，特别是三大养分都是能量之源，而糖类、脂类和蛋白质类能量值又分别不同。因此，在分析相同质量的不同性质的食物所蕴含的能量时，除了要考虑水和无机盐等的含量外，还要考虑食物中有机营养物质种类及其含量，这直接关系到能量的高低。决不能简单的把物质质量与能量等价换算。也就是说，相同质量不同性质的食物中的能量其实是不等值的，125 g植物是25 g昆虫重量的5倍，但能量决不是后者的5倍。由于动物性食物中蛋白质、脂质等含量相对较高，所以一般来说，动物类食物中的能量要比相同质量的植物类食物中的能量高。可以说这也是导致了各营养级生物同化效率不同的主要原因之一。逆推至少需要消耗多少重量的生产者这类题型，把不同营养级生物的物质与能量等价粗略换算，显然有些勉强，似乎是为了计算而去设计计算题，使得许多教师也默认了这一解题套路，同样陷入了这一思维误区。又如另一种变化题型，命题模式是：“某生物的食物，1／2来自…，1／4来自…，1／4来自…，那么它每增加1 kg体重……”，建议即使要进行此类意向性命题，也宜改成如下表达形式：“某生物的全部同化量，1／2来自……”
　　4、误区之4：呼吸作用过程中释放的能量全部以热能形式散失了
　　《中学生物教学》2011年第3期中，张德超老师在“精析‘生态系统的能量流动’”一文中这样写道：每个营养级生物自身呼吸消耗及流向分解者的能量都以热能的形式散失到环境中，这部分能量是无法再重新被利用的。笔者认为这种表述不妥，至少是不够严谨的，值得商榷。
　　简析：流入下一营养级的能量中有一部分通过呼吸作用以热能形式散失了，这是毋庸置疑的，但不能因此就误认为呼吸作用释放的能量就全部转化为热，能了或经过其他中间途径最终也都转化为热能散失了。也有不少学生根据教材插图(如：人教版普通高中标准教材必修三第94页图5～6)中两个分开的箭头而断章取义，把“呼吸作用散失”与“用于生长、发育和繁殖等生命活动”看成两个完全相互独立的分支。之所以会出现以上两种误读，主要源于对呼吸作用的实质和意义等理解不透彻以及对代谢过程中能量的释放、转移和利用等过程不熟悉造成的。在生物体内，1 mol的葡萄糖在彻底氧化分解以后，共释放出2870kJ的能量，其中有977 kJ左右的能量转移储存在ATP中(38个ATP)，其余的能量都以热能的形式散失了。当ATP水解时，储存的能量就释放出来，用于生物体的各项生命活动，如细胞的分裂植株的生长矿质元素的吸收肌肉的收缩神经冲动的传导等。另外，呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料。在呼吸过程中所产生的一些中间产物，可以成为合成体内一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基酸的原料。因此，不能把教材中提到的“一部分在××者的呼吸作用中以热能的形式散失了”错误理解成“呼吸作用过程中释放的能量全部以热能形式散失了”。
　　能量流动这一知识块作为高中生物的重难点，教师必须对该处教材要认真研读、探讨甚至质疑，在彼此的思维碰撞中加深对知识的理解，切忌断章取义、以偏概全。在创设情境进行命题立意的同时，应当注意它的导向性，不能舍本逐末，更不能忽视知识本身的科学性和严谨性。