CO₂

呂福勞

摘 要：從光合作用入手，分析了二氧化碳對(duì)植物生長的影響，動(dòng)物生命活動(dòng)調(diào)節(jié)中的作用以及在生態(tài)學(xué)中的獨(dú)特作用。同時(shí)聯(lián)系教學(xué)實(shí)例總結(jié)了一些與二氧化碳有關(guān)的特殊的習(xí)題。

關(guān)鍵詞：光合作用；細(xì)胞呼吸；同位素；調(diào)節(jié)

自然界中光合作用是一種神奇的生命活動(dòng)，它將光能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的化學(xué)能。將二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成有機(jī)物。二氧化碳作為其中的原料之一，在一定程度上影響著有機(jī)物的生成以及能量的轉(zhuǎn)變。細(xì)胞呼吸將有機(jī)物氧化分解為無機(jī)物，釋放儲(chǔ)存在有機(jī)物中的化學(xué)能用于進(jìn)行生物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)。二氧化碳作為細(xì)胞呼吸中有氧呼吸的產(chǎn)物之一，同樣在一定程度上會(huì)影響物質(zhì)的分解、能量的供給，影響生物體的生命活動(dòng)。

一、同位素檢測(cè)二氧化碳的物質(zhì)轉(zhuǎn)移途徑

美國科學(xué)家卡爾文等用14C標(biāo)記的14CO2供小球藻進(jìn)行光合作用，然后追蹤檢測(cè)14C的去向，最終探明了14CO2首先與小球藻體內(nèi)的C5（一種五碳化合物）結(jié)合，形成14C3（一種三碳化合物）。在有關(guān)酶的催化下，14C3接受了ATP釋放的能量并且被（H）還原。隨后，一些接受了能量并被還原的14C3經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，形成（14CH2O）（表示糖類）。在細(xì)胞呼吸中用18O標(biāo)記的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部無放射性，即C6H1218O6→C18O2。

二、細(xì)胞呼吸中生成二氧化碳的檢測(cè)

可以根據(jù)澄清石灰水變渾濁的快慢和溴麝香草酚藍(lán)水溶液由藍(lán)變綠再變黃的速率來比較二氧化碳生成的快慢。溴麝香草酚藍(lán)水溶液識(shí)別的其實(shí)不是CO2，而是pH，配置的是近中性的顯藍(lán)色，酸性稍強(qiáng)顯黃色，中間較弱酸性顯黃色和藍(lán)色混合得到的綠色，至于原因是質(zhì)子化狀態(tài)影響到了分子的共軛，導(dǎo)致能級(jí)變大，

吸收光的波長變短，顯示它的互補(bǔ)色。

在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用0.1%BTB溶液的水鑒定CO2的存在，如果水中二氧化碳含量增加，變?yōu)樗嵝詴r(shí)，水就會(huì)由藍(lán)色變?yōu)辄S綠色。0.1%BTB溶液的水鑒定CO2的存在，有點(diǎn)像澄清石灰水的作用，不過精度比石灰水高，而且沒有SO2的干擾。

三、植物固定二氧化碳的途徑

高等植物固定二氧化碳的生化途徑有3種，即卡爾文循環(huán)（C_3

途徑）、四碳二羧酸途徑（C_4途徑）和景天科植物酸代謝途徑（CAM途徑）。根據(jù)光合二氧化碳固定方式的不同，高等植物可分為C_3、C_4植物和CAM植物。在C_3途徑中，碳素同化的最初產(chǎn)物是三碳化合物三磷酸甘油酸（PGA），C_3途徑因此而得名。

例1.景天科植物有一個(gè)很特殊的CO2同化方式：夜間氣孔開放，吸收的CO2生成蘋果酸儲(chǔ)存在液泡中，白天氣孔關(guān)閉，液泡中的蘋果酸經(jīng)脫羧作用釋放CO2用于光合作用，十字花科植物的CO2同化過程中CO2直接與二磷酸核酮糖結(jié)合，參與卡爾文循環(huán)。請(qǐng)回答：景天科植物夜晚能吸收CO2，卻不能合成（CH2O）的原因是__________；白天景天科植物進(jìn)行光合作用所需的CO2的來源有_________。參考答案：沒有光照，光反應(yīng)不能正常進(jìn)行，無法為暗反應(yīng)提供所需的ATP、[H] （蘋果酸經(jīng)脫羧作用）體內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中釋放的和呼吸作用產(chǎn)生的。

四、二氧化碳與細(xì)胞代謝

二氧化碳既是光合作用的原料，又是細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物，對(duì)于植物的生命活動(dòng)具有重要的影響，高考中細(xì)胞代謝是?？急乜嫉目键c(diǎn)，在生活中利用二氧化碳影響生物體的實(shí)例也較多。如通過提高二氧化碳濃度來提高大棚中植物的產(chǎn)量；輸氧時(shí)氧氣中必須要含一定濃度的氧氣。

例2.將一植物放在密閉的玻璃罩內(nèi)，置于室外進(jìn)行培養(yǎng)，假定玻璃罩內(nèi)植物的生理狀態(tài)與自然環(huán)境中相同。獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖。下列有關(guān)說法不正確的是：

A.圖乙中的c點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖甲中的C點(diǎn)，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的氣體交換狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖丙中的①；B.圖甲中的F點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖乙中的h點(diǎn)，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的氣體交換狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖丙中的③；C.到達(dá)圖乙中的d點(diǎn)時(shí)，玻璃罩內(nèi)CO2濃度最高，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)氣體交換狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖丙中的③；D.經(jīng)過這一晝夜之后，植物體的有機(jī)物含量會(huì)增加。

分析：圖甲中的C點(diǎn)是光合速率等于呼吸速率的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖乙中的d點(diǎn)，此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的氣體交換狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖丙中的③，A錯(cuò)；圖甲中的F點(diǎn)是光合速率等于呼吸速率的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖乙中的h點(diǎn)，

此時(shí)細(xì)胞內(nèi)的氣體交換狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖丙中的③，B正確；圖乙中的d點(diǎn)時(shí)，光合速率等于呼吸速率的點(diǎn)，此后光合速率大于呼吸速率，所以d點(diǎn)時(shí)玻璃罩內(nèi)CO2濃度最高，C正確；經(jīng)過這一晝夜之后，G點(diǎn)小于A點(diǎn)，表明植物凈消耗了CO2，植物體的有機(jī)物含量會(huì)增加，D正確。

例3.將一長勢(shì)良好的健壯植株在密閉玻璃罩內(nèi)培養(yǎng)，并置于室外，用CO2測(cè)定儀測(cè)定玻璃罩內(nèi)CO2的濃度在一天內(nèi)的變化情況，繪成曲線如下圖甲所示。圖乙表示該植株處于光照下的一個(gè)葉肉細(xì)胞，a表示該細(xì)胞的線粒體進(jìn)行細(xì)胞呼吸放出的CO2量，b表示該細(xì)胞的葉綠體進(jìn)行光合作用吸收的CO2量。請(qǐng)據(jù)圖回答下列問題（不考慮這一天內(nèi)植株生長對(duì)細(xì)胞呼吸和光合作用的影響）：假設(shè)密閉玻璃罩內(nèi)植株所有進(jìn)行光合作用的細(xì)胞的光合作用強(qiáng)度一致，圖乙表示該植株的一個(gè)進(jìn)行光合作用的細(xì)胞，那么，當(dāng)在圖甲中D點(diǎn)時(shí)，圖乙中a________（填“>”“=”或“<”）b。

分析：圖甲中D點(diǎn)表示植物體的光合速率與呼吸速率相等，而在植物體內(nèi)只有部分細(xì)胞能進(jìn)行光合作用，因此就每一個(gè)能進(jìn)行光合作用的細(xì)胞來說，其光合速率必定大于呼吸速率，即圖乙中a小于b。

五、二氧化碳與生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)

植物的生命活動(dòng)離不開二氧化碳，二氧化碳在動(dòng)物的生命活動(dòng)調(diào)節(jié)中同樣具有重要的意義。環(huán)境CO2濃度升高，導(dǎo)致動(dòng)脈血中CO2分壓升高，CO2分子透過血—腦屏障進(jìn)入腦脊液，形成H2CO3，解離出H+，隨著腦脊液的CO2分壓升高，其中的H+濃度隨之升高，一方面通過刺激外周化學(xué)感受器（頸動(dòng)脈體和主動(dòng)脈體），沖動(dòng)分別由竇神經(jīng)和迷走神經(jīng)傳入延髓呼吸神經(jīng)元，使其興奮，導(dǎo)致呼吸加深加快。另一方面是刺激延髓腹側(cè)面的中樞化學(xué)感受區(qū)，再引起延髓呼吸神經(jīng)元興奮。這種感受器對(duì)氫離子濃度變化敏感，它們的活動(dòng)影響到調(diào)節(jié)呼吸的呼吸中樞，通過中樞的作用再引起呼吸肌運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，使呼吸運(yùn)動(dòng)加速、加深。呼吸肌運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，使肺通氣量加大，肺對(duì)CO2的排出能力加強(qiáng)，這種負(fù)反饋調(diào)節(jié)就使動(dòng)脈血CO2分壓下降，使動(dòng)脈血的CO2分壓處于一定的水平。

六、二氧化碳與環(huán)境保護(hù)

現(xiàn)在地球上氣溫越來越高，是因?yàn)槎趸荚龆嘣斐傻摹Ｒ驗(yàn)槎趸季哂斜氐淖饔?，使溫度升高，?00年，全球氣溫升高0.6℃，照這樣下去，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，全球氣溫將升高1.5℃～

4.5℃。海平面升高，也是二氧化碳增多造成的，到21世紀(jì)中葉，海平面將會(huì)上升25～140厘米，海平面的上升，亞馬遜雨林將會(huì)消失，兩極海洋的冰塊也將全部融化。所有這些變化對(duì)野生動(dòng)物而言無異于滅頂之災(zāi)?？諝庵泻屑s0.03%二氧化碳，但由于人類活動(dòng)（如化石燃料燃燒）影響，近年來二氧化碳含量猛增，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、全球氣候變暖、冰川融化、海平面升高……旨在遏制二氧化碳過量排放的《京都議定書》已經(jīng)生效，有望通過國際合作遏制溫室效應(yīng)。

編輯 謝尾合endprint