例析光合速率的測定方法

安徽 嚴邦軍 梁 陳

例析光合速率的測定方法

安徽 嚴邦軍 梁 陳

光合作用是細胞代謝的主要內(nèi)容，在高考生物教學(xué)中占有重要地位。高考中光合作用的考查形式多種多樣，可以文字信息體現(xiàn)，也可以曲線、表格、圖像等形式出現(xiàn)，不僅考查學(xué)生對光合作用概念、原理的掌握，在近幾年高考題中，光合速率、呼吸速率的測定也頻繁出現(xiàn)，以此考查學(xué)生提取有效信息、實現(xiàn)信息相互轉(zhuǎn)換的能力。本文想通過例題來分析光合速率的測定問題，旨在進一步加強學(xué)生對光合作用的理解。

光合速率是指單位時間、單位葉面積的CO2的吸收量或者是O2的釋放量，也可以用單位時間、單位葉面積干物質(zhì)積累量表示，通常以每小時每平方分米葉面積吸收CO2毫克數(shù)表示（mg·dm-2·h-1）。一般測定光合速率的方法都沒有考慮植物的呼吸作用，所以測定的結(jié)果實際是光合作用速率減去呼吸作用速率的差數(shù)，叫作表觀光合速率或凈光合速率。若能測出其呼吸速率，把它加到凈光合速率上去，則可算出真正光合速率，即真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率?，F(xiàn)將高中階段常用的幾種光合速率的測定方法歸納如下：

1.利用實驗裝置來測定光合速率

實驗原理：

（1）測呼吸速率：利用裝置甲在黑暗條件下進行測定，小燒杯中盛放NaOH溶液，其作用是吸收裝置中CO2。植物的呼吸作用會消耗O2，裝置中氣體體積變小，水滴就會向左移動，因此水滴左移量代表呼吸作用消耗O2量。

（2）測凈光合速率：利用裝置乙在光照條件下進行測定，小燒杯中盛放NaHCO3溶液，其作用是維持裝置中CO2不變。植物的光合作用釋放O2，裝置中氣體體積變大，水滴就會向右移動，因此水滴右移量代表光合作用釋放O2量。

（3）該實驗中要考慮外界大氣壓的改變對實驗結(jié)果的影響，所以需要設(shè)置對照組，在對照組中放入相同且死亡的綠色植物（如丙），用以排除大氣壓等物理因素的影響。當實驗組和對照組的水滴移動方向相同時，用實驗組水滴移動數(shù)值減去對照組水滴移動數(shù)值，即代表實驗裝置中氣體變化的真實值；當實驗組和對照組的水滴移動方向相反時，用實驗組水滴移動數(shù)值加上對照組水滴移動數(shù)值，即代表裝置中氣體變化的真實值。

【例1】下圖是探究綠色植物光合作用速率的實驗示意圖，裝置中的NaHCO3溶液可維持瓶內(nèi)的CO2濃度，將該裝置置于25℃環(huán)境中。實驗開始時，針筒的讀數(shù)是0.2 mL，毛細管內(nèi)的水滴在位置X處。20 min后，針筒的容量需要調(diào)至0.6 mL的讀數(shù)，才能使水滴仍維持在位置X處。據(jù)此回答下列問題：

（1）若將圖中的NaHCO3溶液換成等量清水，重復(fù)上述實驗，20 min后，要使水滴維持在位置X處，針筒的容量_______（填“需向左”“需向右”或“不需要”）調(diào)節(jié)。

（2）若以釋放出的O2量來代表凈光合作用速率，該植物的凈光合作用速率是________mL·h-1。

（3）若將圖中的NaHCO3溶液換成等量NaOH溶液，在25℃、無光條件下，30 min后，針筒的容量需要調(diào)至0.1 mL的讀數(shù)，才能使水滴仍維持在X處。則在有光條件下該植物的真正光合速率是_______mL·h-1。

【解析】

（1）由光合作用的總反應(yīng)式：

可知反應(yīng)前后氣體體積不變，所以不需要調(diào)節(jié)針筒容量就可使水滴維持在X處。

（2）光照條件下，由于光合作用吸收的CO2由緩沖液補充，緩沖液能維持CO2濃度，同時釋放出O2導(dǎo)致密閉裝置內(nèi)氣體壓強增大，若使水滴X不移動，其針筒中單位時間內(nèi)氣體（O2）容量的增加就代表凈光合速率的大小。由題可知，若以釋放出的O2量來代表凈光合速率，該植物的凈光合作用速率是（0.6-0.2）×3=1.2（mL·h-1）。

（3）若將瓶中液體改為NaOH溶液且在無光條件下，則裝置內(nèi)CO2完全被吸收，植物體不能進行光合作用，只能進行呼吸作用，瓶中氣體的變化即呼吸作用消耗O2的量。則在有光條件下該植物的真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率，即1.2+0.1×2=1.4（mL·h-1）。

【答案】（1）不需要 （2）1.2 （3）1.4

2.利用半葉法測定光合速率

實驗原理：將對稱葉片的一部分（A）遮光，另一部分（B）不做處理，如下圖所示，并采用適當?shù)姆椒ㄗ柚箖刹糠值奈镔|(zhì)和能量轉(zhuǎn)移。在適宜光照下照射1小時后，在A、B的對應(yīng)部位裁取同等面積的葉片，烘干稱重，分別記為MA、MB，單位是（mg·dm-2）。

設(shè)所裁取的葉片原來質(zhì)量為X（mg·dm-2），則：

呼吸速率=X-MA（mg·dm-2·h-1）

凈光合速率=MB-X（mg·dm-2·h-1）

真正光合速率=呼吸速率+凈光合速率=X-MA+MBX=MB-MA（mg·dm-2·h-1）

本實驗中利用遮光部分的葉片進行呼吸速率的測定，利用光照部分的葉片進行凈光合速率的測定，然后利用公式計算出真正光合速率。

【例2】某同學(xué)欲測定植物葉片葉綠體的光合作用速率，做了如下圖所示實驗。在葉柄基部作環(huán)剝處理（僅限制葉片有機物輸入和輸出），于不同時間分別在同一葉片上陸續(xù)取下面積為1 cm2的葉圓片烘干后稱其重量，測得葉片的葉綠體光合作用速率=g·cm-2·h-1（不考慮取葉圓片后對葉生理活動的影響和溫度微小變化對葉生理活動的影響）。則M處的實驗條件是 （ ）

A. 下午4時后將整個實驗裝置遮光3小時

B. 下午4時后將整個實驗裝置遮光6小時

C. 下午4時后在陽光下照射1小時

D．晚上8時后在無光下放置3小時

【解析】起始干重為上午10時移走時的葉圓片干重x克，從上午10時到下午4時，葉片在這6小時內(nèi)既進行光合作用又進行呼吸作用，所以下午4時移走的葉圓片干重y克減去上午10時移走時的葉圓片干重x克的差值，就等于該葉圓片凈光合作用干物質(zhì)積累量：（y-x）克。即凈光合速率。呼吸速率=真正光合速率-凈光合速率。若要求出呼吸作用消耗干物質(zhì)量，應(yīng)將葉片遮光處理，先假設(shè)葉片遮光處理為N小時后干重為z克，下午4時移走的葉圓片干重y克減去葉片遮光處理N小時后的干重z克差值，就是呼吸作用干物質(zhì)量：（y-z）克，即呼吸速率=則：，計算出N=3小時，故A項正確。

【答案】A

3.黑白瓶法測定光合速率

實驗原理：黑白瓶法是將幾只注滿水樣的白瓶和黑瓶懸掛在采水深度處，曝光24 h。黑瓶中的浮游植物由于得不到光照只能進行呼吸作用，因此黑瓶中的溶解氧就會減少。而白瓶完全被曝曬在光下，瓶中的浮游植物可進行光合作用，因此白瓶中的溶解氧量一般會增加。所以黑瓶中溶解氧量的變化可代表呼吸速率，白瓶中溶解氧量的變化可代表凈光合速率，這樣就可以計算出該深度處水體的真正光合速率。

實驗步驟：

（1）采水與掛瓶

①采水：根據(jù)確定的采水分層和深度，采集某深度的水樣注入白瓶、黑瓶和初始瓶內(nèi)，待水滿后將瓶蓋蓋好，立即對初始瓶進行溶解氧的測定。

②掛瓶與曝光：將灌滿水的白瓶和黑瓶懸掛在原采水處，曝光培養(yǎng)24 h。

（2）溶解氧的測定與分析

曝光結(jié)束后，取出黑、白瓶立即測定溶解氧量，并計算真正光合速率。計算方法：

真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率

本方法是利用黑瓶測呼吸速率，白瓶測凈光合速率，然后利用公式，計算出真正光合速率。

【例3】采用黑白瓶法（黑瓶外包黑膠布和鋁箔，以模擬黑暗條件；白瓶為透光瓶）測定池塘各深度24小時內(nèi)的平均氧氣濃度變化，結(jié)果如下表。則該池塘一晝夜產(chǎn)生氧氣的量是 （ ）

A. 8 g/m3B. 14 g/m3

C. 22 g/m3D. 32 g/m3

【解析】池塘一晝夜產(chǎn)生氧氣的量，實質(zhì)上指的是各水層一晝夜產(chǎn)生的氧氣量的總和。產(chǎn)生的氧氣量，就是光合作用總量＝白瓶中氧氣增加量＋黑瓶中氧氣減少量。對5 m～水底范圍內(nèi)的生物來說，黑瓶與白瓶中氧氣的變化量都是相同的，說明此范圍水域內(nèi)不進行光合作用。故該池塘一晝夜產(chǎn)生的氧氣量為1～4 m水深范圍內(nèi)生物產(chǎn)生的氧氣量。由題表可知，水深1～4 m范圍內(nèi)生物產(chǎn)生的氧氣量分別是9 g/m3、7 g/m3、4 g/m3、2 g/m3，總計22 g/m3。

【答案】C

綜上所述，光合速率測定方法的實質(zhì)是：在黑暗條件下測定呼吸速率，在光照條件下測定凈光合速率，再利用公式：真正光合速率=呼吸速率+凈光合速率，計算出真正光合速率。

（作者單位：安徽省泗縣第二中學(xué)）