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(diǎn)，通過(guò)“四種圖”來(lái)厘清兩者從微觀到宏觀的邏輯關(guān)系，通過(guò)相關(guān)概念、原理、曲線、計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)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(wèn)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(méi)有水產(chǎn)生，依據(jù)教材上的原理圖來(lái)看，并沒(méi)有提及是否有水產(chǎn)生，這是高中教材對(duì)這一原理進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，實(shí)際過(guò)程中是有水產(chǎn)生的；此外，從實(shí)際的原理和簡(jiǎn)化教學(xué)來(lái)看，②式更為合適。

2 原理圖

2.1 過(guò)程圖 光合與呼吸作用的過(guò)程圖可以借用2017年全國(guó)Ⅱ卷中的題圖形表示(圖1)，該圖簡(jiǎn)潔而清晰地顯示了各種分子的轉(zhuǎn)換關(guān)系和場(chǎng)所，有助于解決教學(xué)中的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題，其中，相似的概念應(yīng)重點(diǎn)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(lái)看，分子、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、生物圈均會(huì)涉及光合與呼吸作用，其實(shí)質(zhì)是兩者在時(shí)間與空間的區(qū)別和聯(lián)系，厘清暫時(shí)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(wèn)題時(shí)，更應(yīng)順應(yīng)這一思路： 局部光合、整體呼吸，暫時(shí)光合、永恒呼吸。相關(guān)物質(zhì)的去向與數(shù)量、生物生長(zhǎng)與否、環(huán)境中的氣體變化等問(wèn)題，均需要依據(jù)上述思路和對(duì)應(yīng)的生物圖才能正確理解與計(jì)算。圖2列舉了三種常見(jiàn)的生物圖。

圖1 光合和呼吸作用過(guò)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(guò)程通過(guò)測(cè)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(lái)，常見(jiàn)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(jiǎn)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(diǎn)、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(diǎn)： 黑暗條件下，細(xì)胞不進(jìn)行光合作用，只進(jìn)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(qiáng)度下，呼吸強(qiáng)度大于光合強(qiáng)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(diǎn)： 在光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，呼吸強(qiáng)度等于光合強(qiáng)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(qiáng)光照強(qiáng)度下，光合強(qiáng)度大于呼吸強(qiáng)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(qiáng)度呈線性增加而其他因素均保持不變時(shí)測(cè)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(qiáng)度為零時(shí)的數(shù)值。因此，該圖形應(yīng)該是經(jīng)典的理想型模型圖。

實(shí)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(qiáng)度改變后一定影響溫度，因此實(shí)際環(huán)境中的曲線并非線性增加或降低這么簡(jiǎn)單，會(huì)變形成多種復(fù)雜的曲線。這種在實(shí)際環(huán)境下測(cè)得光合曲線圖(圖4)，分別以植物和環(huán)境為分析對(duì)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(shí)間，故該曲線圖與橫軸圍成的面積可表示該時(shí)間段內(nèi)植物的凈光合量，計(jì)算時(shí)注意正負(fù)。

圖4 光合作用與時(shí)間關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)圖

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置圖 該裝置(圖5)借助密閉空間中的氣體變化，來(lái)反映生物的相關(guān)生理過(guò)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?jī)艄夂纤俾??？傮w來(lái)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(shí)，可測(cè)得細(xì)胞呼吸；如將其配置成生態(tài)瓶，則可以測(cè)得凈生產(chǎn)量。

圖5 光合作用與有氧呼吸檢測(cè)裝置

4.2 實(shí)驗(yàn)原理、結(jié)果及結(jié)論 總結(jié)如表2。

表2 光合與呼吸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理、結(jié)果及結(jié)論

表2 光合與呼吸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理、結(jié)果及結(jié)論

目的有氧呼吸無(wú)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(dòng)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(fèi)者、分解者有氧呼吸消耗的O2不盡相同