氧浓度影响植物呼吸作用的坐标曲线及其变式

氧浓度影响植物呼吸作用的坐标曲线及其变式

植物呼吸作用的强度受多个因素的影响，其中氧浓度是影响植物呼吸作用强度的重要因素之一。这里重点探讨氧浓度的变化对植物呼吸作用(主要是COz的释放与O₂的吸收)的影响，同时不考虑植物光合作用对O₂和CO₂量的影响。

1　氧浓度影响植物呼吸作用的坐标曲线

氧浓度影响植物的无氧呼吸。植物在完全缺氧的条件下进行无氧呼吸，大多数植物无氧呼吸的产物是酒精和CO₂。有氧环境对无氧呼吸起抑制作用，抑制作用随氧浓度的增加而增强，直至无氧呼吸完全停止。如果以CO₂的释放表示无氧呼吸的强度，则氧浓度影响植物无氧呼吸的曲线可表示为图1中a曲线。

氧浓度影响植物的有氧呼吸。O₂是植物进行有氧呼吸的反应物，因此，氧浓度是影响植物有氧呼吸的重要因子。在一定氧浓度范围内，有氧呼吸的强度随氧浓度的增加而增强，同样以CO₂的释放表示有氧呼吸的强度，则氧浓度影响植物有氧呼吸的曲线可表示为图1的b曲线。当然也可以用植物对O₂的吸收来表示植物有氧呼吸的强度，则氧浓度影响植物有氧呼吸的曲线可表示为图2所示曲线，即氧浓度增加，有氧呼吸的强度增强，植物对O₂的吸收也随之增加(由于受到有氧呼吸酶等因素的影响，在达到一定氧浓度后植物的有氧呼吸强度将不再增强)。

综上所述，氧浓度不仅影响植物的呼吸强度，而且影响着植物呼吸作用的类型。即在无氧条件下进行无氧呼吸，在低氧条件下既进行无氧呼吸，也进行有氧呼吸，且随氧浓度的增加，无氧呼吸逐渐减弱，有氧呼吸逐渐增强，至某一氧浓度后植物只进行有氧呼吸。因此在氧浓度变化过程中，植物呼吸作用CO₂的总释放的变化可表示为图1的c曲线。

2　坐标曲线图相关变式

2．1 曲线的整合

【例1】 图3表示某种植物的非绿色器官在不同氧浓度下CO₂的释放量与O₂的吸收量的变化。请回答：(1)如图3所示，外界氧浓度在10％以下时，该器官进行什么类型的呼吸?请说明理由。(2)该器官CO₂的释放与O₂的吸收的2条曲线在P点相交后重合，表明其呼吸类型发生什么变化?请说明理由。

在同一坐标中对相关曲线的整合是曲线变式的常用策略。本题就是在不同氧浓度下植物非绿色器官CO₂的释放量与O₂的吸收量变化曲线的叠加，即图1c曲线与图2曲线的叠加。由图示可知，在氧浓度为10％以下时，CO₂的总释放量大于O₂的吸收量，说明该器官既进行无氧呼吸，也进行有氧呼吸。P点后2条曲线重合，表明这以后CO₂的总释放量与O₂的吸收量相等，根据以葡萄糖为底物的有氧呼吸的反应式可知，此时该器官只进行有氧呼吸。所以P点也是无氧呼吸的消失点。

2．2变换坐标图类型

【例2】 图4表示某植物的非绿色器官在氧浓度为a、b、c、d时，CO₂释放量和O₂吸收量的变化。下列相关叙述正确的是(　)

A．氧浓度为a时最适于贮藏该植物器官

B．氧浓度为b时，无氧呼吸消耗葡萄糖的量是有氧呼吸的5倍

C．氧浓度为c时，无氧呼吸最弱

D．氧浓度为d时，有氧呼吸强度与无氧呼吸强度相等。

本题是在例1图的基础上选取了氧浓度不同的几个关键点，以柱状图的形式考查不同氧浓度下植物器官有氧呼吸和无氧呼吸情况。对比两图可知，d点就是例1图中的P点，c点表示的是CO₂释放总量的最低点，a点表示的是氧浓度为0时的情况。因此，解题关键是分析清楚各氧浓度下，无氧呼吸与有氧呼吸的状况。以CO₂释放量相对值计算：a浓度：氧吸收为0，只有无氧呼吸．b浓度：有氧呼吸为3，无氧呼吸为(8—3)；c浓度：有氧呼吸为4，无氧呼吸为(6～4)；d浓度：有氧呼吸为7，无氧呼吸为0。由此判断：c浓度最适于贮藏；b浓度无氧呼吸消耗葡萄糖为2．5，为有氧呼吸(0．5)的5倍；d点无氧呼吸为0。

2．3改变问题情境

【例3】 图5表示北方一个贮存白菜的地窖随着O₂的消耗CO₂浓度变化的情况，请据图回答：(1)地窖中的白菜主要进行无氧呼吸的是曲线中的哪一段?请写出无氧呼吸的反应式。(2)从哪点开始，氧浓度的高低成为限制有氧呼吸的因素?(3)为了有利于较长时间地贮存大白菜，应把地窖里的O₂控制在曲线中的哪一段范围内？

本题选取贮存白菜的地窖中随着O₂的消耗CO₂浓度的变化来考查不同氧浓度下植物有氧呼吸和无氧呼吸情况。本题在“贮存白菜的地窖”这个相对封闭的情境下，纵坐标的含意与前面的曲线图相比发生了改变，前面曲线图中纵坐标的CO₂释放表示的是某一氧浓度下植物有氧呼吸和无氧呼吸的强度，而本题纵坐标的CO₂浓度表示的是当氧浓度变化到某一点时，植物呼吸作用所积累的CO₂的总和。因此，曲线AB段的CO₂浓度的迅速增大说明在该曲线段所对应的氧浓度下植物进行有氧呼吸。曲线BC段的CO₂浓度的缓增说明在该曲线段所对应的氧浓度下植物的呼吸作用(包括无氧呼吸和有氧呼吸)最弱，也说明B点开始，氧浓度的高低成为了限制有氧呼吸的因素，同时又由于氧的存在，植物无氧呼吸受抑制，使植物的无氧呼吸也维持在比较低的水平。随着氧浓度的进一步降低，植物无氧呼吸逐渐增强，所以，曲线CD段的CO₂浓度的再次迅速增大是植物进行无氧呼吸的结果。

2．4曲线的拓展

【例4】不同的呼吸底物、呼吸方式具有不同的呼吸商(呼吸商=呼吸放出的CO₂量／呼吸消耗的O₂量)。现利用一装置来测定一定量的酵母菌在不同O₂浓度下的O₂吸收量和CO₂释放量。实验结果如表1所示。

请问：当O₂浓度为3％时，酵母菌的呼吸商是多少?O₂浓度为3％时，酵母菌的呼吸方式是什么?表中显示，从O₂浓度是多少起，酵母菌只进行有氧呼吸。

本题的拓展首先体现研究对象上，图1和图2主要讨论的是植物的呼吸作用，其实对于无氧呼吸是酒精发酵的单细胞真核生物酵母菌来说也符合图1和图2的规律。其次体现在呼吸的底物上，在前面各题的讨论中，其实默认了一个前提条件，即呼吸底物均为葡萄糖，因此在植物只进行有氧呼吸时，释放CO₂量与吸收O₂量相等，即两条曲线有重合部分，重合部分的呼吸商相等，且均为1。而在本题中，如果把上述实验结果转换成曲线图(见图6)，则可以发现CO₂释放曲线与O₂吸收曲线并没有重合部分，说明酵母菌的呼吸底物并不是单纯的葡萄糖。由表中数据可计算出在O₂浓度为3％时，酵母菌的呼吸商是1．67，根据图6由前面的讨论可知，此时的酵母菌既进行无氧呼吸，也进行有氧呼吸。由分析可知，随氧浓度的增加，当呼吸商不变时，生物只进行有氧呼吸。据表1中数据，当氧浓度为7％时，酵母菌的呼吸商是1．2，且以后随氧浓度的变化，呼吸商均为1．2，这说明氧浓度从7％起，酵母菌只进行有氧呼吸。

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