有关光合作用和呼吸作用生成物量的计算

有关光合作用和呼吸作用生成物量的计算

李庆森

在近几年的高考及其他考试的试题中，有关光合作用和呼吸作用生成物量的计算题频频出现。这类试题涉及植物的光合作用和呼吸作用两大生理过程，同时还与化学知识相结合，是综合性较强的热点试题。但学生在解答此类试题时常常感到困难，甚至不知如何分析。现以典型题目为例，分析以下此类试题的解题思路，供大家参考。

1　例题

将某一绿色植物置于密闭的玻璃容器中，在一定条件下不给光照，ＣＯ２的含量每小时增加8ｍｇ；如给予充足的光照后，容器内ＣＯ２的含量每小时减少36ｍｇ。据实验测定上述光照条件下光合作用每小时能产生葡萄糖30ｍｇ。请回答：

（1）上述条件下，比较光照时呼吸作用的强度与黑暗时呼吸作用的强度是_______的。

（2）在光照时植物每小时葡萄糖的净生产量是_________ｍｇ。

（3）若一昼夜中先光照4ｈ，接着放置在黑暗的条件下20ｈ，该植物体内有机物含量的变化是_________。

2　分析

光合作用强度大小的指标一般用光合速率表示。光合速率通常以每小时每平方分米叶面积吸收二氧化碳的毫克数表示。由于绿色植物每时每刻（不管有无光照）都在进行呼吸作用，分解有机物，消耗氧气，产生二氧化碳；而光合作用合成有机物，吸收二氧化碳，释放氧气，只在有光条件下才能进行。也就是植物在进行光合作用吸收二氧化碳的同时，还进行呼吸作用释放二氧化碳，而呼吸作用释放的部分或全部二氧化碳未出植物体又被光合作用利用，所以人们把在光照下测定的二氧化碳的吸收量（只是光合作用从外界吸收的量，没有把呼吸作用产生的二氧化碳计算在内）称为表观光合速率或净光合速率。如果我们在测光合作用速率时，同时测其呼吸速率，把它加到表观光合速率上去，则得到真正光合速率。即：

真正光合速率=表观光合速率+呼吸速率

具体可表达为：

真正光合作用ＣＯ２的吸收量=表观光合作用ＣＯ２的吸收量+呼吸作用ＣＯ２释放量

如果将上述公式推广到氧气和葡萄糖，则得到下列公式：

真正光合作用Ｏ２释放量=表观光合作用Ｏ２释放量+呼吸作用Ｏ２吸收量

真正光合作用葡萄糖合成量=表观光合作用葡萄糖合成量+呼吸作用葡萄糖分解量

3　求解

根据上面的分析和题意可知，光照时葡萄糖净（表观）生产量是光合作用每小时产生的真正的（总的）葡萄糖量减去呼吸作用每小时消耗的葡萄糖量。而葡萄糖量与ＣＯ２量求解有直接关系，可通过ＣＯ２量的变化推测有机物（葡萄糖）含量的变化。

（1）先利用化学方程式计算出光照条件下，光合作用每小时真正产生30ｍｇ葡萄糖需要消耗的ＣＯ２量。

从上面计算结果可知，植物真正产生30ｍｇ的葡萄糖，需要44ｍｇ的ＣＯ２，而实际上容器内ＣＯ２的含量每小时只减少36ｍｇ，还有8（44－36）ｍｇ的ＣＯ２来自光照条件下呼吸作用释放出来的。与题目交待的不给光照时（只能进行呼吸作用）产生的ＣＯ２量相等。所以在该条件下，光照时呼吸作用的强度与黑暗时呼吸作用的强度是相等的。

（2）由呼吸作用每小时产生的ＣＯ２的量是8ｍｇ，计算出消耗的有机物葡萄糖量

题目交待光照时，植物每小时真正（总的）能产生葡萄糖30ｍｇ，呼吸作用消耗5.5ｍｇ，则净生产量为24.5（30－5.5）ｍｇ。

此问题，还可以根据ＣＯ２的实际减少量来计算，题目交待在光照条件下容器内的ＣＯ２的含量每小时减少36ｍｇ，这是与植物的呼吸作用无关的，减少的ＣＯ２已作为光合作用的原料合成了葡萄糖，也就是净产生的葡萄糖，具体计算如（1）。

（3）根据上述（1）（2）的计算结果，可知一昼夜（24ｈ）中，4ｈ制造的葡萄糖总量为4×30=120ｍｇ，消耗总量为24×5.5=132ｍｇ，两数说明该植物体内有机物含量减少。或者先计算4ｈ产生的葡萄糖量为4×24.5=98ｍｇ，再计算20ｈ黑暗（只有呼吸作用）消耗的葡萄糖量为20×5.5=110ｍｇ，然后再比较这两个数据，可得出同样结论。

4　与图表的结合

（广东省1999年高考试题）将某种绿色植物的叶片，放在特定的实验装置中。研究在10℃、20℃的温度下，分别置于5000Ｉｘ、20000Ｉｘ光照和黑暗条件下的光合作用和呼吸作用。结果如图所示。

（1）该叶片的呼吸速率在20℃下是10℃下的______倍。

（2）该叶片在10℃、5000Ｉｘ的光照下，每小时光合作用所产生的氧气量为____ｍｇ。

（3）该叶片在20℃、20000Ｉｘ的光照下，如果光合作用合成的有机物都是葡萄糖，每小时产生的葡萄糖为______ｍｇ。

这道题与前面讲述的例题相比，主要有两点不同：一是前面的例题是以光合作用与呼吸作用过程中ＣＯ２量的变化作为计算依据，而此题是以Ｏ２量的变化作为计算依据。具体怎样分析及所要用的公式前面的叙述中已经提到。二是此题所需的数据及其他信息要从图形中找到。所以要解答此题要求学生具有较高的识图能力、图像思维转换能力和化学知识结合的综合意识。

分析题中两图可知，上图实际表示了黑暗条件下只有呼吸作用两种不同温度条件下的呼吸速率。由于题目没有特别交待，人们一般认为呼吸速率不受光照影响，光照条件下10℃和20℃时的呼吸速率仍然可表示为0.5ｍｇＯ２·ｈ-1，即后者是前者的3倍。

下图较复杂，由于在光照条件下，植物体既有光合作用，又有呼吸作用，图中所示的Ｏ２释放量应是光合作用释放量减去呼吸作用消耗量的“净量”，从图中可得10℃、5000Ｉｘ的光照下Ｏ２释放“净量”为3.5ｍｇＯ２·ｈ-1。再从上图分析可知，在10℃下呼吸作用吸收0.5ｍｇＯ２·ｈ-1，利用前面分析时用到的公式，则此时光合作用实际释放Ｏ２每小时为3.5+0.5=4.0ｍｇ。同理，不难求得20℃、20000Ｉｘ条件下光合作用实际每小时释放Ｏ２量为：6+1.5=7.5ｍｇ，运用光合作用反应式可得此时光合作用每小时合成葡萄糖量为：7.5×180／32×6≈7.03ｍｇ。

故答案为（1）3　（2）4　（3）7.03

5　适应性训练

假设某植物光合作用制造的有机物仅有葡萄糖，呼吸作用利用的有机物也只有葡萄糖。将此绿色植物置于密闭的玻璃容器中，在一定条件下给予充足的光照后，容器内ＣＯ２的含量每小时减少了180ｍｇ，放在黑暗条件下，容器内ＣＯ２含量每小时增加40ｍｇ。

（1）若测得该绿色植物在上述光照条件下每小时制造葡萄糖225ｍｇ，则上述光照条件下每小时通过呼吸作用释放的ＣＯ２的量为_________ｍｇ。

（2）其他条件不变，将此植物置于光照条件下1ｈ，再置于黑暗条件下4ｈ，此植物体内有机物含量变化情况是_________，具体数值为_________ｍｇ。

参考答案：（1）150　（2）增加　13.6