利用曲线探究突破密闭容器内的CO2浓度变化

黄国忠

[摘 要]

以细胞呼吸和光合作用为例，分析影响细胞呼吸和光合作用的主要因素，并以“曲线图示”进行数学转化呈现，找到细胞呼吸、光合作用联系点，从而梳理密闭容器内CO2变化情况，释疑交叉点的同时突破了难点，培养了学生思考迁移、不断获取生物学知识的能力。

[关键词]

高中生物；光合作用；细胞呼吸；影响因素

细胞新陈代谢主要有细胞呼吸和光合作用，细胞呼吸和光合作用涵盖了众多有序化学反应。学生在高三复习过程中，临试表现为焦虑、混乱、代入感差，成为必修一主要丢分点。基于此，笔者以细胞呼吸和光合作用为例，解读影响细胞呼吸和光合作用的主要影响因素，并以“曲线图示”数学转化找到细胞呼吸、光合作用的联系点，从而理顺密闭容器内CO2的变化情况，释疑交叉点的同时突破了难点，培养了学生的思考迁移能力。

一、解读影响细胞呼吸的因素及密闭容器内的CO2变化

细胞呼吸是细胞内有机物在酶的催化下，逐步氧化分解并释放能量合成ATP的一系列过程。细胞呼吸是一个复杂、多种酶参与的多步骤过程。依据是否有O2参与，将细胞呼吸分为有氧呼吸、无氧呼吸。有氧呼吸指细胞利用O2，将某些有机物彻底氧化分解，形成CO2和H2O，释放能量生成大量ATP的过程。总反应式：C6H12O6+6H2O+6O2[酶]6CO2+12 H2O+能量；无氧呼吸指细胞在没有O2条件下，将葡萄糖等有机物进行不彻底氧化分解，释放能量生成少量ATP的过程。总反应式：C6H12O6[酶]2CO2+2C2H5OH+能量，C6H12O6[酶]2C3H6O3+能量。

呼吸速率用以表示细胞呼吸的强弱，用单位时间内所释放出的CO2表示或所吸收的O2表示。测定植物的呼吸速率，将植物置于黑暗条件下测定密闭容器里单位时间内CO2的增加量或O2的减少量或有机物的减少量。影响呼吸速率的主要因素有O2浓度、温度、pH、CO2浓度和水的含量等。下面以O2浓度为例，来解读对细胞呼吸速率的影响。

对于既能有氧呼吸、又能酒精发酵的生物来说，建立以O2浓度为横坐标、CO2释放量为纵坐标的曲线（图1）。曲线AC表示无氧呼吸CO2释放量，曲线OE及E点以后表示有氧呼吸CO2释放量，曲线AE及E点以后表示细胞呼吸CO2释放量。

（1）O2浓度为0，A点只有无氧呼吸。对于密闭容器，植株在A点释放CO2，容器内CO2浓度增加，容器内气体体积增加。

（2）O2浓度为0～10%，AC段随着O2浓度增大，无氧呼吸速率逐渐减弱，有氧呼吸速率不断加强（OE曲线）。D点细胞呼吸最弱，E点只有有氧呼吸。若对于密闭容器来说，在AC段，植株表现为释放CO2，容器内的CO2浓度增加，容器内的气体体积继续增加。

（3）当O2浓度达到一定值时，随着O2浓度的增大，有氧呼吸速率不再增大。此时，影响有氧呼吸速率的因素不再是O2浓度，而是除了O2浓度以外的因素。注意，对于兼性厌养型生物来说，在低氧条件下，既可以无氧呼吸，也可以有氧呼吸。若对于密闭容器来说，在E点以后，植株表现为释放CO2，容器内的CO2浓度增加，容器内的气体体积不再增加，保持不变。

二、解读影响光合作用的因素及密闭容器内的CO2变化

光合作用强度常用光合速率来表示，光合速率通过测定单位时间内原料消耗量或產物生成量来表示。总光合作用=净光合作用+呼吸作用，总光合速率=净光合速率+呼吸速率。净光合速率常用单位时间内CO2吸收量、O2释放量、有机物积累量表示。总光合速率常用单位时间内CO2固定量、O2产生量、有机物产生量或有机物制造量表示。

测定净光合速率时，将植物置于光照下，测定密闭容器里单位时间内CO2的减少量或有机物的增加量或O2的增加量。

影响光合作用的因素有外部因素和内部因素。内部因素包括植物种类、叶面积和叶龄等；外部因素包括光照的长短、强弱以及光的成分，CO2浓度，温度的高低，土壤中的水分含量。

光照强度对净光合速率的影响如图2所示，在一定范围内光合速率随光照强度的增加而增强，但当光照强度增加到一定范围后，光合速率不再增强。

A点：只进行呼吸作用，不进行光合作用。若对于密闭容器来说，在A点，植株表现为释放CO2，容器内的CO2浓度增加。

AB段：随着光照强度增强，光合速率增强，但呼吸速率>光合速率。呼吸作用产生的CO2一部分用于光合作用的暗反应，还有一部分释放到外界环境中去，呼吸作用需要的O2一部分来自光合作用，还有一部分从外界环境吸收。若对于密闭容器来说，在AB段，植株表现为CO2释放量逐渐减小，容器内的CO2浓度依然在增加。

B点：光补偿点，即光合速率=呼吸速率时的光照强度，呼吸作用产生的CO2全部用于光合作用的暗反应，光合作用产生的O2全部用于呼吸作用。不同植物的光补偿点是不同的。一般而言，阳生植物比阴生植物的光补偿点高，C4植物比C3植物的光补偿点高。若对于密闭容器来说，在B点，植株表现为既不吸收容器内的CO2，也不释放CO2进入到容器中，容器内的CO2浓度保持不变。

BD段：随着光照强度增强，光合速率继续增强，且光合速率>呼吸速率。此时，光合作用所需的CO2一部分来自呼吸作用，还有一部分来自外界环境的吸收，光合作用产生的O2一部分用于呼吸作用，还有一部分释放到外界环境中去。若对于密闭容器来说，在BD段，植株表现为吸收容器内的CO2，容器内的CO2浓度逐渐下降。

C点：光饱和点，即光合作用达到最大光合速率时对应的最小光照强度。一般而言，C4植物比C3植物的光饱和点高，阳生植物比阴生植物的光饱和点高。

D点以后：随着光照强度增强，光合速率不再继续增强，表现出光饱和现象。实际上，植物出现了光饱和现象是因为强光下暗反应跟不上光反应，从而限制了光合速率随着光照强度的增加而提高，限制光合作用的因素不再是光照强度，而是光照强度以外的因素，如CO2浓度、温度、矿质元素和叶绿体中酶数量等。若对于密闭容器来说，在D点以后，植株表现为吸收容器内的CO2，容器内的CO2浓度逐渐下降。综上所述，在光照强度对光合速率的影响过程中，对于密闭容器来说，B点时，容器内的CO2浓度最高。

三、实例解读密闭容器内CO2的浓度变化

例1：将一株生长正常的某种植株置于密闭容器内，在适宜条件下，光照培养。从光照开始，净光合速率随着时间延长逐渐下降直至为0，之后保持不变。在上述整时间段内，玻璃容器内CO2浓度表现出的变化趋势是（ ）

A.降低至一定水平时再升高 B.持续保持相对稳定状态

C.降低至一定水平时保持不变 D.升高至一定水平时保持相对稳定

[答案]C

[解析]在适宜条件下，光照培养，植株既要进行光合作用，又要进行有氧呼吸。建议以净光合速率为观察点。净光合速率=光合速率-呼吸速率，同时考虑了光合作用和有氧呼吸，而且观察点单一，利于学生入手。根据前文图2“光照强度对光合速率的影响”可知，若净光合速率<0，植株表现为不从容器内吸收CO2，反而还向容器内释放CO2，容器内CO2浓度上升；若净光合速率=0，植株表现为既不向容器内吸收CO2，也不向容器内释放CO2，容器内CO2浓度不变；若净光合速率>0，植株表现为吸收容器内CO2，容器内CO2浓度下降。所以，净光合速率若从小于0→等于0→大于0，容器内CO2浓度应分段描述为先升高后不变再下降；反之，净光合速率若从大于0→等于0，容器内CO2浓度分段描述为先下降后不变。

例2：在两个相同的密闭、透明玻璃室内各放置一盆长势相似的甲、乙两种植物幼苗，在充足的水分、光照和适宜的温度等条件下，用红外线测量仪定时测量玻璃室内的CO2浓度，结果如下表（假设实验期间光照、水分和温度等条件恒定不变）。有关分析，错误的是（ ）

A.在0～25min期间，甲和乙两种植物光合作用强度都逐渐减小

B.在0～25min期间，CO2含量逐渐降低是有氧呼吸减弱的结果

C.在0～25min期间，影响光合作用强度的主要因素是CO2含量

D.上表数据说明，乙植物比甲植物固定CO2的能力强

[答案]B

[解析]依题意，适宜的温度条件下，甲、乙两种植物有氧呼吸速率最大且保持不变。既然有氧呼吸保持不变，那么，本题分析的因变量为光合作用。净光合速率=光合速率-呼吸速率，光合速率的变化趋势和净光合速率的变化趋势保持一致，建议本题的观察点依然为净光合速率。用红外线测量仪定时测量玻璃室内的CO2浓度，对于甲种植物来说，从0→25 min，CO2浓度从150→48 mg/L，从25→45 min，CO2浓度不变，维持在48 mg/L；对于乙种植物来说，从0→30 min，CO2浓度从150→8 mg/L，从30→45 min，CO2浓度不变，维持在8 mg/L。甲、乙两种植物对应的密闭容器CO2浓度变化相似，故以甲种植物为例进行分析，找出CO2浓度变化的原因，再对比甲、乙两种植物，找出CO2的最终浓度不同的原因。甲种植物CO2浓度从150→48 mg/L，CO2浓度降低，说明CO2被吸收入叶绿体基质参与了光合作用，随光合作用的进行，光合速率大于呼吸速率，即净光合速率>0；从0→5 min，容器內CO2浓度下降了150-113=37 mg/L，从5→10 min，容器内CO2浓度下降了113-83=30 mg/L，以此类推，说明每隔5 min，容器内CO2浓度下降量逐渐降低直至为0。单位时间内CO2浓度的逐渐下降，说明不同时间内，净光合速率是不同的，而且呈下降趋势直至为0。当净光合速率=0时，植株内线粒体释放的CO2量和叶绿体固定的CO2量达到动态平衡，与容器内的气体没有关系，容器内CO2浓度保持不变。甲、乙两种植物净光合速率=0时，甲容器CO2浓度>乙容器CO2浓度，说明乙植物的CO2补偿点较低，乙植物固定CO2的能力强。这也反应了不同植物的CO2补偿点是不同的。一般而言，固定CO2能力强的植物比固定CO2能力弱的植物补偿点低。

综上所述，对于密闭容器的绿色植物来说，给以一定的光照条件，净光合<0，容器内的CO2浓度逐渐增加；净光合=0，容器内的CO2浓度保持不变；净光合>0，容器内的CO2浓度逐渐下降。

[参 考 文 献]

[1]张鸿亮.光合作用的几个概念辨析[J].生物学教学，2007（6）.

[2]杨建基.关于“细胞呼吸”的几个认识误区[J].生物学教学，2013（1）.

（责任编辑：符 洁）