CO₂

呂福勞

摘 要：從光合作用入手，分析了二氧化碳對植物生長的影響，動物生命活動調節中的作用以及在生態學中的獨特作用。同時聯系教學實例總結了一些與二氧化碳有關的特殊的習題。

關鍵詞：光合作用；細胞呼吸；同位素；調節

自然界中光合作用是一種神奇的生命活動，它將光能轉變成穩定的化學能。將二氧化碳和水轉變成有機物。二氧化碳作為其中的原料之一，在一定程度上影響著有機物的生成以及能量的轉變。細胞呼吸將有機物氧化分解為無機物，釋放儲存在有機物中的化學能用于進行生物體的各項生命活動。二氧化碳作為細胞呼吸中有氧呼吸的產物之一，同樣在一定程度上會影響物質的分解、能量的供給，影響生物體的生命活動。

一、同位素檢測二氧化碳的物質轉移途徑

美國科學家卡爾文等用14C標記的14CO2供小球藻進行光合作用，然后追蹤檢測14C的去向，最終探明了14CO2首先與小球藻體內的C5（一種五碳化合物）結合，形成14C3（一種三碳化合物）。在有關酶的催化下，14C3接受了ATP釋放的能量并且被（H）還原。隨后，一些接受了能量并被還原的14C3經過一系列的生化反應，形成（14CH2O）（表示糖類）。在細胞呼吸中用18O標記的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部無放射性，即C6H1218O6→C18O2。

二、細胞呼吸中生成二氧化碳的檢測

可以根據澄清石灰水變渾濁的快慢和溴麝香草酚藍水溶液由藍變綠再變黃的速率來比較二氧化碳生成的快慢。溴麝香草酚藍水溶液識別的其實不是CO2，而是pH，配置的是近中性的顯藍色，酸性稍強顯黃色，中間較弱酸性顯黃色和藍色混合得到的綠色，至于原因是質子化狀態影響到了分子的共軛，導致能級變大，

吸收光的波長變短，顯示它的互補色。

在生物學實驗中常用0.1%BTB溶液的水鑒定CO2的存在，如果水中二氧化碳含量增加，變為酸性時，水就會由藍色變為黃綠色。0.1%BTB溶液的水鑒定CO2的存在，有點像澄清石灰水的作用，不過精度比石灰水高，而且沒有SO2的干擾。

三、植物固定二氧化碳的途徑

高等植物固定二氧化碳的生化途徑有3種，即卡爾文循環（C_3

途徑）、四碳二羧酸途徑（C_4途徑）和景天科植物酸代謝途徑（CAM途徑）。根據光合二氧化碳固定方式的不同，高等植物可分為C_3、C_4植物和CAM植物。在C_3途徑中，碳素同化的最初產物是三碳化合物三磷酸甘油酸（PGA），C_3途徑因此而得名。

例1.景天科植物有一個很特殊的CO2同化方式：夜間氣孔開放，吸收的CO2生成蘋果酸儲存在液泡中，白天氣孔關閉，液泡中的蘋果酸經脫羧作用釋放CO2用于光合作用，十字花科植物的CO2同化過程中CO2直接與二磷酸核酮糖結合，參與卡爾文循環。請回答：景天科植物夜晚能吸收CO2，卻不能合成（CH2O）的原因是__________；白天景天科植物進行光合作用所需的CO2的來源有_________。參考答案：沒有光照，光反應不能正常進行，無法為暗反應提供所需的ATP、[H] （蘋果酸經脫羧作用）體內物質轉化過程中釋放的和呼吸作用產生的。

四、二氧化碳與細胞代謝

二氧化碳既是光合作用的原料，又是細胞呼吸的產物，對于植物的生命活動具有重要的影響，高考中細胞代謝是常考必考的考點，在生活中利用二氧化碳影響生物體的實例也較多。如通過提高二氧化碳濃度來提高大棚中植物的產量；輸氧時氧氣中必須要含一定濃度的氧氣。

例2.將一植物放在密閉的玻璃罩內，置于室外進行培養，假定玻璃罩內植物的生理狀態與自然環境中相同。獲得實驗結果如下圖。下列有關說法不正確的是：

A.圖乙中的c點對應圖甲中的C點，此時細胞內的氣體交換狀態對應圖丙中的①；B.圖甲中的F點對應圖乙中的h點，此時細胞內的氣體交換狀態對應圖丙中的③；C.到達圖乙中的d點時，玻璃罩內CO2濃度最高，此時細胞內氣體交換狀態對應圖丙中的③；D.經過這一晝夜之后，植物體的有機物含量會增加。

分析：圖甲中的C點是光合速率等于呼吸速率的點，對應圖乙中的d點，此時細胞內的氣體交換狀態對應圖丙中的③，A錯；圖甲中的F點是光合速率等于呼吸速率的點，對應圖乙中的h點，

此時細胞內的氣體交換狀態對應圖丙中的③，B正確；圖乙中的d點時，光合速率等于呼吸速率的點，此后光合速率大于呼吸速率，所以d點時玻璃罩內CO2濃度最高，C正確；經過這一晝夜之后，G點小于A點，表明植物凈消耗了CO2，植物體的有機物含量會增加，D正確。

例3.將一長勢良好的健壯植株在密閉玻璃罩內培養，并置于室外，用CO2測定儀測定玻璃罩內CO2的濃度在一天內的變化情況，繪成曲線如下圖甲所示。圖乙表示該植株處于光照下的一個葉肉細胞，a表示該細胞的線粒體進行細胞呼吸放出的CO2量，b表示該細胞的葉綠體進行光合作用吸收的CO2量。請據圖回答下列問題（不考慮這一天內植株生長對細胞呼吸和光合作用的影響）：假設密閉玻璃罩內植株所有進行光合作用的細胞的光合作用強度一致，圖乙表示該植株的一個進行光合作用的細胞，那么，當在圖甲中D點時，圖乙中a________（填“>”“=”或“<”）b。

分析：圖甲中D點表示植物體的光合速率與呼吸速率相等，而在植物體內只有部分細胞能進行光合作用，因此就每一個能進行光合作用的細胞來說，其光合速率必定大于呼吸速率，即圖乙中a小于b。

五、二氧化碳與生命活動的調節

植物的生命活動離不開二氧化碳，二氧化碳在動物的生命活動調節中同樣具有重要的意義。環境CO2濃度升高，導致動脈血中CO2分壓升高，CO2分子透過血—腦屏障進入腦脊液，形成H2CO3，解離出H+，隨著腦脊液的CO2分壓升高，其中的H+濃度隨之升高，一方面通過刺激外周化學感受器（頸動脈體和主動脈體），沖動分別由竇神經和迷走神經傳入延髓呼吸神經元，使其興奮，導致呼吸加深加快。另一方面是刺激延髓腹側面的中樞化學感受區，再引起延髓呼吸神經元興奮。這種感受器對氫離子濃度變化敏感，它們的活動影響到調節呼吸的呼吸中樞，通過中樞的作用再引起呼吸肌運動的加強，使呼吸運動加速、加深。呼吸肌運動加強，使肺通氣量加大，肺對CO2的排出能力加強，這種負反饋調節就使動脈血CO2分壓下降，使動脈血的CO2分壓處于一定的水平。

六、二氧化碳與環境保護

現在地球上氣溫越來越高，是因為二氧化碳增多造成的。因為二氧化碳具有保溫的作用，使溫度升高，近100年，全球氣溫升高0.6℃，照這樣下去，預計到21世紀中葉，全球氣溫將升高1.5℃～

4.5℃。海平面升高，也是二氧化碳增多造成的，到21世紀中葉，海平面將會上升25～140厘米，海平面的上升，亞馬遜雨林將會消失，兩極海洋的冰塊也將全部融化。所有這些變化對野生動物而言無異于滅頂之災。空氣中含有約0.03%二氧化碳，但由于人類活動（如化石燃料燃燒）影響，近年來二氧化碳含量猛增，導致溫室效應、全球氣候變暖、冰川融化、海平面升高……旨在遏制二氧化碳過量排放的《京都議定書》已經生效，有望通過國際合作遏制溫室效應。

編輯 謝尾合endprint