生体エネルギー学

植物捕获光能；呼吸作用将能量转移至动植物细胞的生存过程。本参考涵盖 AQA GCSE生物 8461，主题 4.4 生物能学 。

試験におけるこのトピックの扱い方：

• 纸张 1 承载生物能学内容。RP6：使用水蕴草测定光照强度与光合作用速率的关系。
• 2つまたは3つの制限因子を持つ限界因子グラフ、逆二乗則、温室経営はHTのみ。
• 式は単語式であるが、記号形式も知っておくこと（CO₂, H₂O, O₂, C₆H₁₂O₆）。

光合作用是吸热反应：光能将能量从环境转移至叶绿体。叶绿素吸收光；二氧化碳和水是反应物，葡萄糖和氧气是产物。光是能量输入而非化学反应物。配平系数使两侧原子数相等：每侧有 6 个碳、12 个氢和 18 个氧。

示例证据（2024 Q07.1）： 黑纸阻挡光线；密封透明塑料袋防止二氧化碳进入；未遮盖叶片两者兼有。在提供的结果中，被遮盖的叶片不含淀粉，而未遮盖叶片含有。请解释该因果链：光合作用受限 → 无新葡萄糖生成 → 无法将该葡萄糖转化为淀粉。不要声称光合作用直接制造淀粉。

限界因子とは、現在の条件下で反応速度の増加を妨げる要因であり、その要因を増やすことで速度を上げることができる。温度の場合、これは無限加熱ではなく、適切な最適値へ向かう増大を意味する。(HT) 相互作用する要因については、同じ光強度での曲線の比較を行ない、他は一つだけ条件を変化させる必要がある。

2023 Q06.2: the straight section from 0 to 5 000 lux can be represented by y = mx + c. The x-axis is in thousands of lux: a reading of 5 means 5 000 lux. A changing gradient is not one straight-line relationship; the plateau shows further light does not raise the rate under these conditions.

(HT) 2024 Q07.7–.8: at A, more light increases rate. Compare 15→25°C while CO₂ stays 0.4%: higher rate, through faster particle movement/enzyme activity. Compare 0.04→0.4% CO₂ at the same temperature: more reactant increases rate. On each high-light plateau, a different factor limits; light is not the limiting factor there. These comparisons do not justify an unlimited-temperature rule.

（HT）逆二乗法則： 光強度は 1/距離²² に比例する。同一光源において I₂/I₁ = (d₁/d₂)²² となる。シート 4.1 Q3.2： d₂/d₁ = 45 cm/15 cm = 3²； I₂/I₁ = (15 cm/45 cm)²² = 1/9²。新しい光強度は古い光強度の9分の1である。光合成速度の予測には、光がほぼ比例する領域で制限因子となり、他の条件が適正であることが追加で必要であり、法則自体は光強度の比率のみを予測する。

(HT)温室経済学： 限界因子を特定し、収量・収益の増加量を推定し、追加コストと比較する。照明はエネルギーを供給し、追加CO₂は反応物を供給する。最適温度への加温により酵素制御反応が加速される。他の因子が制限したり、追加コストが作物の追加収益を上回ったりすれば、いずれも採算に合わない可能性がある。単なる加温は必ずしもCO₂添加を意味しない。

RP6：光強度の変更

在水碳酸氢钠溶液（提供CO₂）中使用水蕴草。设置多个已测定的灯距，在每个距离处给予适应时间，然后统计固定时间内的氧气气泡数。用水浴维持温度并用温度计监测；保持CO₂浓度恒定；保持水蕴草大小和时间可比。在每个距离重复实验并计算平均值。速率 = 气泡数/时间，单位如气泡/秒。或者测量收集的氧气体积/时间。气体注射器或倒置量筒必须实际收集/测量氧气；仅列出仪器名称不是方法。不等的气泡体积限制了体积准确性，且气体收集比气泡计数更直接地测量体积。重复实验可减少随机变异，但不能修正不等气泡体积的问题。

2025 温度探究： 自变量是温度；测量的因变量是产生十个气泡所需的时间，而非计算出的速率。五个试管置于不同温度的水浴中，静置两分钟后开始计时。以下所有时间均为原始表格 4 的确切数值。

Worked rate (2025 Q04.2, four marks): rate = bubble count/time; rate = 10 bubbles/43 s = 0.232558… bubbles/s; rate = 0.233 bubbles/s (3 significant figures). A smaller time for the same output means a higher rate. At 40°C versus 10°C, the rate is higher; particles have more kinetic energy and collide more frequently. The lower measured rate at 50°C does not change that comparison or prove an exact universal optimum.

リーフディスク応用 (2023 Q06.3–.7)

通过彩色LED/灯泡或透明滤光片改变光色。自变量：光色/波长。因变量：十个圆片浮至表面所需时间。去除初始空气使圆片下沉，上升的气体来自光合作用。碳酸氢钠提供光合作用所需的CO₂。产生的氧气被困在/围绕圆片周围，降低其平均密度使其上浮。不要声称CO₂是导致其上浮的气体。

2023 Q06.8–.9: two chlorophyll types allow more wavelengths to be used, not all wavelengths. Original Table 6 ranges: violet 380–435, blue 450–499, green 500–570, yellow 571–590, red 620–720 nm. Table 5 times for ten discs: blue 115 s, green 831 s, red 397 s. Near 490 nm (blue), chlorophyll b absorbs about 80%; green wavelengths are absorbed very little. Thus blue discs rise sooner because photosynthesis/oxygen production is faster; green discs take longer. Use spectral absorption data and colour ranges, not times alone, in the four-mark explanation.

光合成で生成されたグルコースは以下のように使われます：

• 呼吸；
• 蓄積のために不溶性デンプンに変換される（濃縮細胞液を形成して溶解しないため）。
• 保存のために脂肪や油になります；
• 細胞壁のためのセルロースになります；
• 氨基酸用于合成蛋白质——这也需要土壤中的硝酸根离子。

Worked evidence (2024 Q07.2–.3): after the supplied 48-hour light treatment, predict starch in the green region and no starch in the white region. Green tissue has chlorophyll and absorbs light for photosynthesis; glucose made there can form starch. White tissue lacks chlorophyll. A positive iodine test is blue-black; a negative result remains yellow/orange/brown. This is a prediction for the supplied investigation, not a guarantee that every green leaf always contains starch.

呼吸は生体細胞で継続的に起こる発熱反応であり、運動、保温、および大きな分子を構成する反応所需的なエネルギーを伝達する。植物は光中・黑暗中ともに呼吸を行う。換気は空気の移動であり、細胞呼吸は化学プロセスである。エネルギーは伝達または放出され、創出されることはない。

好気的語式方程式： ブドウ糖 + 酸素 → 二酸化炭素 + 水。

两侧均有 6 个碳、12 个氢和 18 个氧原子。在人体细胞中，线粒体是有氧呼吸的主要场所；其阶段发生在细胞质和线粒体中。无氧呼吸发生在细胞质中。

无氧呼吸词方程式：肌肉： 葡萄糖 → 乳酸；植物/酵母： 葡萄糖 → 乙醇 + 二氧化碳。无氧呼吸对葡萄糖的不完全氧化导致每分子葡萄糖转移的能量较少；但它仍然转移能量。

酵母中的无氧呼吸称为发酵。面团中氧气稀少时，酵母利用糖并释放乙醇和二氧化碳；被困住的气体气泡使面团膨胀。乙醇在酒精饮料中也至关重要。当有氧气可用时，酵母可进行有氧呼吸；过度的热量不会持续改善发酵。

Worked evidence: two processes at once (2021 Q04.6–.8). A tube contains pondweed and a snail, with a carbon dioxide probe. It is well lit until day 5, then completely covered with black paper. The snail dies on day 10. The local file is catalogued November 2021; the original paper is printed Jun21.

• 日 0–5: ミズナギモは光合成のために二酸化炭素を取り込み、ミズナギモとカビキリムシの両方が呼吸して放出する。取り込みと放出が釣り合うため、濃度は一定のままである。平坦な線は両方のプロセスが停止したことを意味しない。
• 日5–10： 暗所のため光合成が行われないが、両生物は呼吸を続ける。二酸化炭素が蓄積する。
• 第 10 天后： 分解者（如细菌）分解死蜗牛。这些活微生物进行呼吸作用并释放二氧化碳；死蜗牛本身不再进行呼吸作用。

心率、呼吸频率和潮气量在运动期间增加，以向肌肉输送更多富氧血液用于有氧呼吸。呼吸频率指每分钟呼吸次数；潮气量指每次呼吸移动的空气量。若氧气供应无法满足需求，无氧呼吸会在有氧呼吸旁共同贡献，并导致乳酸积累。在AQA GCSE模型中，这会导致肌肉疲劳及收缩效率降低。

(HT) 血液はラクト酸を肝臓へ輸送し、肝臓はそれをブドウ糖に戻す。別個に、酸素負債とは、運動後に蓄積したラクト酸を反応させて除去するために必要な追加酸素のことである。肝臓でのブドウ糖への戻り変換における追加酸素を反応物として記述することは避けること：2025 Q05.7 スキームはその主張を無視している。

解説：回復 [2]：乳酸が蓄積している / オキシジェンデットが存在する (1)；これらを反応させて除去するために追加の酸素が必要である (1)。実線と破線は異なる無数の縦軸を使用しているため、絶対的な高さを比較せず、各曲線内の変化を比較すること。

解释两种效应 [4] (2023 Q04.1)： 将每种效应与其原因配对。肌肉变得疲劳（1）是因为乳酸堆积（1）。运动后沉重/深长呼吸持续（1）是因为需要额外氧气来清除累积的乳酸 / 偿还氧债（1）。

解説：調査計画 (2023 Q04.2 [6])：少なくとも2種類の運動に対して、同じ適切な競技者を使用する。各試行の前に、安静時心拍数まで回復させ、そのベースラインを測定する。同じ時間だけ運動し、直後に同じ方法と遅延で心拍数を測定する。既往の活動やカフェイン摂取など、関連する条件を類似させる。各競技者の増加量を計算し、運動種別ごとの平均増加量を比較する。順序効果を減らすために運動の順序をランダム化する。有効な比較を行う論理的な方法には高い評価がつくが、単に6つの断片的な事実を列挙しただけでは6点保証ではない。

Teacher data, beats per minute: exercise A changes are 40, 50 and 30; B changes are 60, 70 and 50. Change = after-exercise heart rate − resting heart rate. Mean change = sum of changes ÷ number of athletes. Mean change for A = (40 + 50 + 30) ÷ 3 = 40 beats per minute. Mean change for B = (60 + 70 + 50) ÷ 3 = 60 beats per minute. B gives a mean increase 20 beats per minute greater in this sample. These are authored examples, not original exam results.

关联循环系统（2025 Q05.8 [2]）： 更多红细胞提供更多血红蛋白携带氧气（1）；这支持肌肉中更多的有氧呼吸和能量传递（1）。提供的考试应用（2023 Q04.3 [2]）： 增加的肌肉质量允许更多/更强的收缩（1），从而提高速度、力量或耐力（1）。原题指出同化类固醇在竞技体育中被禁止；任务是解释所提供的关联关系。

代謝とは、細胞または体内のすべての化学反応の総称である。呼吸によって伝達されたエネルギーは、新しい分子を合成する酵素制御プロセスを継続的に支える。合成反応と分解反応を認識せよ：

• 葡萄糖 → 淀粉、糖原或纤维素；
• 一个甘油 + 三个脂肪酸 → 脂肪或油分子（一种脂质）；
• 植物では、グルコース＋硝酸イオン → アミノ酸 → タンパク質；
• 呼吸によるグルコースの分解とエネルギーの伝達；
• 过量蛋白质的分解形成尿素用于排泄。

尿素はタンパク質の構成要素ではない。タンパク質合成と尿素形成は直接可逆的一对であるわけではない。糖類、アミノ酸、脂肪酸、グリセロールは、それぞれ合成・分解に異なる材料を提供する。

• 光合成の語式方程式と記号方程式を書き、吸熱反応＋光→葉緑体であると説明する。
• 4つの速度要因を説明する；単一要因グラフの平坦化を読み解く；(HT) 逆二乗則および温室経済学。
• RP6の制御要因と速度計算方法を説明する。
• ブドウ糖の5つの用途を列挙する（タンパク質合成には硝酸イオンが必要）。
• 好気呼吸と嫌気呼吸の両方の方程式を比較する；発酵の2つの生成物とその用途を答える。
• 運動：3つの増加、乳酸、酸素借；(HT) 肝臓の役割。
• 代謝を定義し、5つの要素を述べる。