利用曲線探究突破密閉容器內的CO2濃度變化

黃國忠

[摘 要]

以細胞呼吸和光合作用為例，分析影響細胞呼吸和光合作用的主要因素，并以“曲線圖示”進行數學轉化呈現，找到細胞呼吸、光合作用聯系點，從而梳理密閉容器內CO2變化情況，釋疑交叉點的同時突破了難點，培養了學生思考遷移、不斷獲取生物學知識的能力。

[關鍵詞]

高中生物；光合作用；細胞呼吸；影響因素

細胞新陳代謝主要有細胞呼吸和光合作用，細胞呼吸和光合作用涵蓋了眾多有序化學反應。學生在高三復習過程中，臨試表現為焦慮、混亂、代入感差，成為必修一主要丟分點。基于此，筆者以細胞呼吸和光合作用為例，解讀影響細胞呼吸和光合作用的主要影響因素，并以“曲線圖示”數學轉化找到細胞呼吸、光合作用的聯系點，從而理順密閉容器內CO2的變化情況，釋疑交叉點的同時突破了難點，培養了學生的思考遷移能力。

一、解讀影響細胞呼吸的因素及密閉容器內的CO2變化

細胞呼吸是細胞內有機物在酶的催化下，逐步氧化分解并釋放能量合成ATP的一系列過程。細胞呼吸是一個復雜、多種酶參與的多步驟過程。依據是否有O2參與，將細胞呼吸分為有氧呼吸、無氧呼吸。有氧呼吸指細胞利用O2，將某些有機物徹底氧化分解，形成CO2和H2O，釋放能量生成大量ATP的過程。總反應式：C6H12O6+6H2O+6O2[酶]6CO2+12 H2O+能量；無氧呼吸指細胞在沒有O2條件下，將葡萄糖等有機物進行不徹底氧化分解，釋放能量生成少量ATP的過程。總反應式：C6H12O6[酶]2CO2+2C2H5OH+能量，C6H12O6[酶]2C3H6O3+能量。

呼吸速率用以表示細胞呼吸的強弱，用單位時間內所釋放出的CO2表示或所吸收的O2表示。測定植物的呼吸速率，將植物置于黑暗條件下測定密閉容器里單位時間內CO2的增加量或O2的減少量或有機物的減少量。影響呼吸速率的主要因素有O2濃度、溫度、pH、CO2濃度和水的含量等。下面以O2濃度為例，來解讀對細胞呼吸速率的影響。

對于既能有氧呼吸、又能酒精發酵的生物來說，建立以O2濃度為橫坐標、CO2釋放量為縱坐標的曲線（圖1）。曲線AC表示無氧呼吸CO2釋放量，曲線OE及E點以后表示有氧呼吸CO2釋放量，曲線AE及E點以后表示細胞呼吸CO2釋放量。

（1）O2濃度為0，A點只有無氧呼吸。對于密閉容器，植株在A點釋放CO2，容器內CO2濃度增加，容器內氣體體積增加。

（2）O2濃度為0～10%，AC段隨著O2濃度增大，無氧呼吸速率逐漸減弱，有氧呼吸速率不斷加強（OE曲線）。D點細胞呼吸最弱，E點只有有氧呼吸。若對于密閉容器來說，在AC段，植株表現為釋放CO2，容器內的CO2濃度增加，容器內的氣體體積繼續增加。

（3）當O2濃度達到一定值時，隨著O2濃度的增大，有氧呼吸速率不再增大。此時，影響有氧呼吸速率的因素不再是O2濃度，而是除了O2濃度以外的因素。注意，對于兼性厭養型生物來說，在低氧條件下，既可以無氧呼吸，也可以有氧呼吸。若對于密閉容器來說，在E點以后，植株表現為釋放CO2，容器內的CO2濃度增加，容器內的氣體體積不再增加，保持不變。

二、解讀影響光合作用的因素及密閉容器內的CO2變化

光合作用強度常用光合速率來表示，光合速率通過測定單位時間內原料消耗量或產物生成量來表示。總光合作用=凈光合作用+呼吸作用，總光合速率=凈光合速率+呼吸速率。凈光合速率常用單位時間內CO2吸收量、O2釋放量、有機物積累量表示。總光合速率常用單位時間內CO2固定量、O2產生量、有機物產生量或有機物制造量表示。

測定凈光合速率時，將植物置于光照下，測定密閉容器里單位時間內CO2的減少量或有機物的增加量或O2的增加量。

影響光合作用的因素有外部因素和內部因素。內部因素包括植物種類、葉面積和葉齡等；外部因素包括光照的長短、強弱以及光的成分，CO2濃度，溫度的高低，土壤中的水分含量。

光照強度對凈光合速率的影響如圖2所示，在一定范圍內光合速率隨光照強度的增加而增強，但當光照強度增加到一定范圍后，光合速率不再增強。

A點：只進行呼吸作用，不進行光合作用。若對于密閉容器來說，在A點，植株表現為釋放CO2，容器內的CO2濃度增加。

AB段：隨著光照強度增強，光合速率增強，但呼吸速率>光合速率。呼吸作用產生的CO2一部分用于光合作用的暗反應，還有一部分釋放到外界環境中去，呼吸作用需要的O2一部分來自光合作用，還有一部分從外界環境吸收。若對于密閉容器來說，在AB段，植株表現為CO2釋放量逐漸減小，容器內的CO2濃度依然在增加。

B點：光補償點，即光合速率=呼吸速率時的光照強度，呼吸作用產生的CO2全部用于光合作用的暗反應，光合作用產生的O2全部用于呼吸作用。不同植物的光補償點是不同的。一般而言，陽生植物比陰生植物的光補償點高，C4植物比C3植物的光補償點高。若對于密閉容器來說，在B點，植株表現為既不吸收容器內的CO2，也不釋放CO2進入到容器中，容器內的CO2濃度保持不變。

BD段：隨著光照強度增強，光合速率繼續增強，且光合速率>呼吸速率。此時，光合作用所需的CO2一部分來自呼吸作用，還有一部分來自外界環境的吸收，光合作用產生的O2一部分用于呼吸作用，還有一部分釋放到外界環境中去。若對于密閉容器來說，在BD段，植株表現為吸收容器內的CO2，容器內的CO2濃度逐漸下降。

C點：光飽和點，即光合作用達到最大光合速率時對應的最小光照強度。一般而言，C4植物比C3植物的光飽和點高，陽生植物比陰生植物的光飽和點高。

D點以后：隨著光照強度增強，光合速率不再繼續增強，表現出光飽和現象。實際上，植物出現了光飽和現象是因為強光下暗反應跟不上光反應，從而限制了光合速率隨著光照強度的增加而提高，限制光合作用的因素不再是光照強度，而是光照強度以外的因素，如CO2濃度、溫度、礦質元素和葉綠體中酶數量等。若對于密閉容器來說，在D點以后，植株表現為吸收容器內的CO2，容器內的CO2濃度逐漸下降。綜上所述，在光照強度對光合速率的影響過程中，對于密閉容器來說，B點時，容器內的CO2濃度最高。

三、實例解讀密閉容器內CO2的濃度變化

例1：將一株生長正常的某種植株置于密閉容器內，在適宜條件下，光照培養。從光照開始，凈光合速率隨著時間延長逐漸下降直至為0，之后保持不變。在上述整時間段內，玻璃容器內CO2濃度表現出的變化趨勢是（ ）

A.降低至一定水平時再升高 B.持續保持相對穩定狀態

C.降低至一定水平時保持不變 D.升高至一定水平時保持相對穩定

[答案]C

[解析]在適宜條件下，光照培養，植株既要進行光合作用，又要進行有氧呼吸。建議以凈光合速率為觀察點。凈光合速率=光合速率-呼吸速率，同時考慮了光合作用和有氧呼吸，而且觀察點單一，利于學生入手。根據前文圖2“光照強度對光合速率的影響”可知，若凈光合速率<0，植株表現為不從容器內吸收CO2，反而還向容器內釋放CO2，容器內CO2濃度上升；若凈光合速率=0，植株表現為既不向容器內吸收CO2，也不向容器內釋放CO2，容器內CO2濃度不變；若凈光合速率>0，植株表現為吸收容器內CO2，容器內CO2濃度下降。所以，凈光合速率若從小于0→等于0→大于0，容器內CO2濃度應分段描述為先升高后不變再下降；反之，凈光合速率若從大于0→等于0，容器內CO2濃度分段描述為先下降后不變。

例2：在兩個相同的密閉、透明玻璃室內各放置一盆長勢相似的甲、乙兩種植物幼苗，在充足的水分、光照和適宜的溫度等條件下，用紅外線測量儀定時測量玻璃室內的CO2濃度，結果如下表（假設實驗期間光照、水分和溫度等條件恒定不變）。有關分析，錯誤的是（ ）

A.在0～25min期間，甲和乙兩種植物光合作用強度都逐漸減小

B.在0～25min期間，CO2含量逐漸降低是有氧呼吸減弱的結果

C.在0～25min期間，影響光合作用強度的主要因素是CO2含量

D.上表數據說明，乙植物比甲植物固定CO2的能力強

[答案]B

[解析]依題意，適宜的溫度條件下，甲、乙兩種植物有氧呼吸速率最大且保持不變。既然有氧呼吸保持不變，那么，本題分析的因變量為光合作用。凈光合速率=光合速率-呼吸速率，光合速率的變化趨勢和凈光合速率的變化趨勢保持一致，建議本題的觀察點依然為凈光合速率。用紅外線測量儀定時測量玻璃室內的CO2濃度，對于甲種植物來說，從0→25 min，CO2濃度從150→48 mg/L，從25→45 min，CO2濃度不變，維持在48 mg/L；對于乙種植物來說，從0→30 min，CO2濃度從150→8 mg/L，從30→45 min，CO2濃度不變，維持在8 mg/L。甲、乙兩種植物對應的密閉容器CO2濃度變化相似，故以甲種植物為例進行分析，找出CO2濃度變化的原因，再對比甲、乙兩種植物，找出CO2的最終濃度不同的原因。甲種植物CO2濃度從150→48 mg/L，CO2濃度降低，說明CO2被吸收入葉綠體基質參與了光合作用，隨光合作用的進行，光合速率大于呼吸速率，即凈光合速率>0；從0→5 min，容器內CO2濃度下降了150-113=37 mg/L，從5→10 min，容器內CO2濃度下降了113-83=30 mg/L，以此類推，說明每隔5 min，容器內CO2濃度下降量逐漸降低直至為0。單位時間內CO2濃度的逐漸下降，說明不同時間內，凈光合速率是不同的，而且呈下降趨勢直至為0。當凈光合速率=0時，植株內線粒體釋放的CO2量和葉綠體固定的CO2量達到動態平衡，與容器內的氣體沒有關系，容器內CO2濃度保持不變。甲、乙兩種植物凈光合速率=0時，甲容器CO2濃度>乙容器CO2濃度，說明乙植物的CO2補償點較低，乙植物固定CO2的能力強。這也反應了不同植物的CO2補償點是不同的。一般而言，固定CO2能力強的植物比固定CO2能力弱的植物補償點低。

綜上所述，對于密閉容器的綠色植物來說，給以一定的光照條件，凈光合<0，容器內的CO2濃度逐漸增加；凈光合=0，容器內的CO2濃度保持不變；凈光合>0，容器內的CO2濃度逐漸下降。

[參 考 文 獻]

[1]張鴻亮.光合作用的幾個概念辨析[J].生物學教學，2007（6）.

[2]楊建基.關于“細胞呼吸”的幾個認識誤區[J].生物學教學，2013（1）.

（責任編輯：符 潔）