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光合作用和细胞呼吸的相关实验[核心精要]1．“装置图法”测定光合速率与呼吸速率(1)测定装置(2)测定方法及解读①测定呼吸速率(装置甲)a．装置甲烧杯中放入适宜浓度NaOH溶液用于吸收CO2。b．玻璃钟罩遮光处理，以排除光合作用的干扰。c．置于适宜温度环境中。d．红色液滴向左移动(用装置甲单位时间内向左移动的距离代表呼吸速率)。②测定净光合速率(装置乙)a．装置乙烧杯中放入适宜浓度的CO2缓冲液，用于保证容器内CO2浓度恒定，满足光合作用需求。b．必须给予较强光照处理，且温度适宜。c．红色液滴向右移动(用装置乙单位时间内向右移动的距离代表净光合速率)。③根据“总(真正)光合速率＝呼吸速率＋净光合速率”可计算得到总(真正)光合速率。物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。2．红外线CO2传感器由于CO2对红外线有较强的吸收能力，CO2的多少与红外线的降低量之间有一定的线性关系，因此CO2含量的变化即可灵敏地反映在检测仪上，常用红外线CO2传感器来测量CO2浓度的变化。3．“黑白瓶法”测定光合速率与呼吸速率将装有水和水生植物的黑、白瓶置于不同水层中，测定单位时间内瓶中溶解氧含量的变化，借此测定水生植物的光合速率。黑瓶不透光，瓶中生物仅能进行呼吸作用；白瓶透光，瓶中生物可进行光合作用和呼吸作用。因此，真正光合作用量(光合作用总量)＝白瓶中氧气增加量＋黑瓶中氧气减少量。4．“半叶法”测定光合作用有机物的产生量“半叶法”的原理是将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法(可先在叶柄基部用热水或热石蜡液烫伤或用呼吸抑制剂处理)阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6小时后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，即可计算出该叶片的光合作用强度，其单位是mg/(dm2·h)，则有M＝MB－MA，M表示B叶片被截取部分在6小时内光合作用合成的有机物总量。[对点训练]1．下图甲为光合作用最适温度条件下，植物光合速率测定装置图，图乙中a、b为测定过程中某些生理指标相对量的变化。下列说法不正确的是()甲乙A．图甲装置在较强光照下有色液滴向右移动，再放到黑暗环境中有色液滴向左移动B．若将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液，其他条件不变，则植物幼苗叶绿体产生NADPH的速率将不变C．一定光照条件下，如果再适当升高温度，真光合速率会发生图乙中从b到a的变化，同时呼吸速率会发生从a到b的变化D．若图乙表示图甲植物的光合速率由a到b的变化，则可能是适当提高了CO2缓冲液的浓度B[图甲装置在较强光照下，植物光合作用强度大于细胞呼吸强度，植物所需CO2由CO2缓冲液提供，而产生的O2会使装置中气体体积增大，因此有色液滴向右移动，如果再放到黑暗环境中，植物呼吸消耗O2而产生的CO2又被CO2缓冲液吸收，因此有色液滴向左移动。若将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液，虽然光照条件不变，但由于无CO2提供，暗反应不能为光反应提供ADP与NADP＋等物质，从而影响光反应的进行，产生NADPH的速率将下降。在光合作用最适温度时再升高温度，与光合作用有关的酶活性会下降，真光合速率下降，而一般情况下与细胞呼吸有关的酶的最适温度较高，此时酶活性会随温度升高而升高，因此呼吸速率会升高。光合速率由a到b变化，说明光合速率升高了，而影响光合速率的因素有光照强度、CO2浓度、温度等，适当提高CO2浓度会增大光合速率。]2．如图为某研究小组测定光照强度对植物叶片光合作用影响的实验装置。将该装置先放在黑暗条件下一段时间，然后给予不同强度的光照。关于该实验的叙述，正确的是()A．温度、CO2浓度和有色液滴的移动距离都是无关变量B．CO2缓冲液的作用是维持容器中CO2浓度的稳定C．如果有色液滴向右移动，说明该植物不进行光合作用D．如果有色液滴向左移动，说明该植物不进行光合作用B[依题意可知，该实验的目的是探究光照强度对植物叶片光合作用的影响，自变量是光照强度，因变量是光合作用强度，有色液滴的移动距离作为观测的指标，温度、CO2浓度等都是无关变量；CO2缓冲液的作用是维持容器中CO2浓度的稳定；有色液滴移动的距离是由装置内O2的变化量引起的，如果有色液滴向右移动，说明光合作用释放的氧气量大于呼吸作用吸收的氧气量；如果有色液滴向左移动，说明光合作用释放的氧气量小于呼吸作用吸收的氧气量。]3．将一株小麦密闭在无色玻璃钟罩内，在室内调温25℃，给予恒定适宜的光照60min，然后遮光处理60min。全程用CO2传感器测定钟罩内CO2浓度的变化，得到图2曲线。图1图2(1)若要获得小麦的真正光合速率，________(填“需要”或“不需要”)另设对照组。0～60min小麦的真正光合速率为________μmolCO2/(L·h)。(2)实验10min时，小麦叶肉细胞进行光合作用所需CO2的来源是______________________________________________________。在停止光照的瞬间叶绿体内C3的含量________。[解析](1)前60min测定净光合速率，后60min测定呼吸速率，不必另设对照组。真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(2000－800)＋(1200－800)＝1600(μmolCO2/(L·h)。(2)光合作用旺盛，叶绿体需要较多CO2，包括线粒体供给和胞外吸收。停止光照，叶绿体内缺少NADPH和ATP，不能进行还原C3的过程。[答案](1)不需要1600(2)线粒体供给和胞外吸收增多(或升高)4．某研究小组从当地一湖泊的某一深度取得一桶水样，分装于六对黑白瓶中，剩余的水样测得原初溶解氧的含量为10mg/L，白瓶为透明玻璃瓶。黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下，24小时后测定各组培养瓶中的氧含量，记录数据如下：光照强度(klx)0(黑暗)abcde白瓶溶氧量(mg/L)31016243030黑瓶溶氧量(mg/L)333333(1)黑瓶中溶解氧的含量降低为3mg/L的原因是___________________________________________________________；该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为________mg/(L·24h)。(2)当光照强度为cklx时，白瓶中植物产生的氧气量为________mg/(L·24h)。(3)光照强度至少为________(填字母)klx时，该水层产氧量才能维持生物正常生活耗氧量所需。[解析](1)黑瓶中溶解氧的含量降低为3mg/L的原因是黑瓶没有光照，植物不能进行光合作用产生氧气，其中的生物呼吸消耗氧气，该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为原初溶解氧减去24小时后氧含量，即10－3＝7[mg/(L·24h)]。(2)当光照强度为cklx时，白瓶中植物光合作用产生的氧气量即总光合作用量＝净光合作用量＋呼吸作用消耗量＝(24－10)＋7＝21[mg/(L·24h)]。(3)光照强度为aklx时，白瓶中溶氧量不变，说明植物光合作用产生的氧气刚好用于所有生物的呼吸作用消耗，故光照强度为aklx时，该水层生物产氧量与生物耗氧量可维持动态平衡。[答案](1)黑瓶中植物不能进行光合作用产生氧气，其中的生物呼吸作用消耗氧气7(2)21(3)a5.某研究小组采用“半叶法”对番茄叶片的光合速率进行测定。将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6h后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合速率，其单位是mg/(dm2·h)。请分析回答下列问题：(1)MA表示6h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量；MB表示6h后(________________)＋(________________)－呼吸作用有机物的消耗量。(2)若M＝MB－MA，则M表示____________________________________________________________________________。(3)光合速率的计算方法是_____________________________。(4)本方法也可用于测定叶片的呼吸速率，写出实验设计思路：___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。[解析]叶片A部分遮光，虽不能进行光合作用，但仍可照常进行呼吸作用。叶片B部分不做处理，既能进行光合作用，又可以进行呼吸作用。分析题意可知，MB表示6h后叶片初始质量＋光合作用有机物的总产量－呼吸作用有机物的消耗量，MA表示6h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量，则MB－MA就是光合作用6h有机物的总产量(B叶片被截取部分在6h内光合作用合成的有机物总量)。由此可计算光合速率，即M除以时间再除以截取面积。[答案](1)叶片初始质量光合作用有机物的总产量(2)B叶片被截取部分在6h内光合作用合成的有机物总量(3)M值除以时间再除以面积，即M/(截取面积×时间)(4)将从测定叶片的相对应部分切割的等面积叶片分开，一部分立即烘干称重，另一部分在黑暗环境中保存几小时后再烘干称重，根据二者干重差即可计算出叶片的呼吸速率