“四種圖”厘清光合作用與有氧呼吸

蔣立鋒 郭 育

(1 陜西省柞水中學(xué) 商洛 711400； 2 陜西省西安市田家炳中學(xué) 西安 710500)

光合作用與呼吸作用是生物學(xué)中最基本的內(nèi)容，是高考考查的重點，通過“四種圖”來厘清兩者從微觀到宏觀的邏輯關(guān)系，通過相關(guān)概念、原理、曲線、計算以及實驗為抓手，可以系統(tǒng)性地徹底解決光合作用與呼吸作用相關(guān)問題。

1 反應(yīng)式概念圖

依據(jù)概念可用①式表示，但在教學(xué)中，經(jīng)常討論暗反應(yīng)到底有沒有水產(chǎn)生，依據(jù)教材上的原理圖來看，并沒有提及是否有水產(chǎn)生，這是高中教材對這一原理進行了簡化處理，實際過程中是有水產(chǎn)生的；此外，從實際的原理和簡化教學(xué)來看，②式更為合適。

2 原理圖

2.1 過程圖 光合與呼吸作用的過程圖可以借用2017年全國Ⅱ卷中的題圖形表示(圖1)，該圖簡潔而清晰地顯示了各種分子的轉(zhuǎn)換關(guān)系和場所，有助于解決教學(xué)中的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換問題，其中，相似的概念應(yīng)重點加以區(qū)分，如三碳化合物、[H]、能量、酶和膜等。

2.2 生物圖 從生命系統(tǒng)的層次來看，分子、細(xì)胞、組織、器官、個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、生物圈均會涉及光合與呼吸作用，其實質(zhì)是兩者在時間與空間的區(qū)別和聯(lián)系，厘清暫時與永恒、局部與整體的辯證關(guān)系，尤其是以活細(xì)胞為基本單位分析這類問題時，更應(yīng)順應(yīng)這一思路： 局部光合、整體呼吸，暫時光合、永恒呼吸。相關(guān)物質(zhì)的去向與數(shù)量、生物生長與否、環(huán)境中的氣體變化等問題，均需要依據(jù)上述思路和對應(yīng)的生物圖才能正確理解與計算。圖2列舉了三種常見的生物圖。

圖1 光合和呼吸作用過程圖

圖2 光合與呼吸作用不同層次的生物圖

3 曲線圖

將上述生物圖中的生理過程通過測量某些相關(guān)物質(zhì)(CO2、 O2、葡萄糖等)所得的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，常見形式有數(shù)據(jù)表格、柱狀圖、曲線圖等，其本質(zhì)相同，其中曲線圖最為簡潔直觀。分析光合與呼吸作用的曲線圖，首先要弄清縱、橫坐標(biāo)的含義，其次要特別注意曲線的交點、斜率、面積等，最后能用生物圖解釋曲線圖。

3.1 呼吸、光合與凈光合概念辨析 總結(jié)如表1。

表1 呼吸、光合與凈光合概念辨析

3.2 曲線圖模型及其變形 圖3是經(jīng)典的曲線模型。

圖3 經(jīng)典的曲線模型

其中，A點： 黑暗條件下，細(xì)胞不進行光合作用，只進行呼吸作用。吸入線粒體中的O2的物質(zhì)的量等于其釋放的CO2的物質(zhì)的量。

A→B： 如圖所示，在較弱光照強度下，呼吸強度大于光合強度，細(xì)胞表現(xiàn)為吸收O2、放出CO2。其中m=m1+m2； n=n1+n2； m=n； m1=n1； m2=n2。

B點： 在光補償點時，呼吸強度等于光合強度，細(xì)胞表現(xiàn)為既不吸收氣體也不放出氣體。光合作用產(chǎn)生的O2全部被線粒體吸收；呼吸作用產(chǎn)生的CO2全部被葉綠體吸收。

B→C： 較強光照強度下，光合強度大于呼吸強度，細(xì)胞表現(xiàn)吸收CO2、放出O2。其中a=a1+a2； b=b1+b2； a=b； a1=b1； a2=b2。

圖3曲線是在僅光照強度呈線性增加而其他因素均保持不變時測得的凈光合速率變化，該條件下光合速率呈先增加后穩(wěn)定的線性特征，而呼吸速率則默認(rèn)保持不變，維持在光照強度為零時的數(shù)值。因此，該圖形應(yīng)該是經(jīng)典的理想型模型圖。

實際環(huán)境下，一天內(nèi)的環(huán)境因素變化并不呈線性，而且光照強度改變后一定影響溫度，因此實際環(huán)境中的曲線并非線性增加或降低這么簡單，會變形成多種復(fù)雜的曲線。這種在實際環(huán)境下測得光合曲線圖(圖4)，分別以植物和環(huán)境為分析對象，互相印證，直接和間接地反映出植物的凈光合速率變化。由于橫軸為時間，故該曲線圖與橫軸圍成的面積可表示該時間段內(nèi)植物的凈光合量，計算時注意正負(fù)。

圖4 光合作用與時間關(guān)系

4 實驗圖

4.1 實驗裝置圖 該裝置(圖5)借助密閉空間中的氣體變化，來反映生物的相關(guān)生理過程的快慢關(guān)系，可分為探究呼吸方式、呼吸底物種類和探究凈光合速率。總體來看，該裝置的目的是為了探究細(xì)胞呼吸和光合作用，由于內(nèi)部生物種類和條件的不同，可分別反映不同層次的細(xì)胞呼吸和光合作用的差異。例如黑暗時，可測得細(xì)胞呼吸；如將其配置成生態(tài)瓶，則可以測得凈生產(chǎn)量。

圖5 光合作用與有氧呼吸檢測裝置

4.2 實驗原理、結(jié)果及結(jié)論 總結(jié)如表2。

表2 光合與呼吸檢測實驗原理、結(jié)果及結(jié)論

表2 光合與呼吸檢測實驗原理、結(jié)果及結(jié)論

目的有氧呼吸無氧呼吸有氧呼吸底物凈光合速率凈生產(chǎn)量燒杯內(nèi)試劑NaOH溶液蒸餾水蒸餾水NaHCO3NaHCO3有色液滴移動左移右移左移或不移左、右移或不移左、右移或不移原理O2減少CO2產(chǎn)生大于O2消耗糖類氧化分解消耗的O2和產(chǎn)生的CO2相同,脂肪比糖類氧化分解消耗的O2多而產(chǎn)生的CO2少CO2不變,植物光合作用產(chǎn)生的O2與有氧呼吸消耗的O2不盡相同CO2不變,生產(chǎn)者光合作用產(chǎn)生的O2與生產(chǎn)者、消費者、分解者有氧呼吸消耗的O2不盡相同