氧濃度影響植物呼吸作用的坐標曲線及其變式

植物呼吸作用的強度受多個因素的影響，其中氧濃度是影響植物呼吸作用強度的重要因素之一。這里重點探討氧濃度的變化對植物呼吸作用(主要是COz的釋放與O₂的吸收)的影響，同時不考慮植物光合作用對O₂和CO₂量的影響。

1 氧濃度影響植物呼吸作用的坐標曲線

氧濃度影響植物的無氧呼吸。植物在完全缺氧的條件下進行無氧呼吸，大多數植物無氧呼吸的產物是酒精和CO₂。有氧環境對無氧呼吸起抑制作用，抑制作用隨氧濃度的增加而增強，直至無氧呼吸完全停止。如果以CO₂的釋放表示無氧呼吸的強度，則氧濃度影響植物無氧呼吸的曲線可表示為圖1中a曲線。

氧濃度影響植物的有氧呼吸。O₂是植物進行有氧呼吸的反應物，因此，氧濃度是影響植物有氧呼吸的重要因子。在一定氧濃度范圍內，有氧呼吸的強度隨氧濃度的增加而增強，同樣以CO₂的釋放表示有氧呼吸的強度，則氧濃度影響植物有氧呼吸的曲線可表示為圖1的b曲線。當然也可以用植物對O₂的吸收來表示植物有氧呼吸的強度，則氧濃度影響植物有氧呼吸的曲線可表示為圖2所示曲線，即氧濃度增加，有氧呼吸的強度增強，植物對O₂的吸收也隨之增加(由于受到有氧呼吸酶等因素的影響，在達到一定氧濃度后植物的有氧呼吸強度將不再增強)。

綜上所述，氧濃度不僅影響植物的呼吸強度，而且影響著植物呼吸作用的類型。即在無氧條件下進行無氧呼吸，在低氧條件下既進行無氧呼吸，也進行有氧呼吸，且隨氧濃度的增加，無氧呼吸逐漸減弱，有氧呼吸逐漸增強，至某一氧濃度后植物只進行有氧呼吸。因此在氧濃度變化過程中，植物呼吸作用CO₂的總釋放的變化可表示為圖1的c曲線。

2 坐標曲線圖相關變式

2．1 曲線的整合

【例1】 圖3表示某種植物的非綠色器官在不同氧濃度下CO₂的釋放量與O₂的吸收量的變化。請回答：(1)如圖3所示，外界氧濃度在10％以下時，該器官進行什么類型的呼吸?請說明理由。(2)該器官CO₂的釋放與O₂的吸收的2條曲線在P點相交后重合，表明其呼吸類型發生什么變化?請說明理由。

在同一坐標中對相關曲線的整合是曲線變式的常用策略。本題就是在不同氧濃度下植物非綠色器官CO₂的釋放量與O₂的吸收量變化曲線的疊加，即圖1c曲線與圖2曲線的疊加。由圖示可知，在氧濃度為10％以下時，CO₂的總釋放量大于O₂的吸收量，說明該器官既進行無氧呼吸，也進行有氧呼吸。P點后2條曲線重合，表明這以后CO₂的總釋放量與O₂的吸收量相等，根據以葡萄糖為底物的有氧呼吸的反應式可知，此時該器官只進行有氧呼吸。所以P點也是無氧呼吸的消失點。

2．2變換坐標圖類型

【例2】 圖4表示某植物的非綠色器官在氧濃度為a、b、c、d時，CO₂釋放量和O₂吸收量的變化。下列相關敘述正確的是( )

A．氧濃度為a時最適于貯藏該植物器官

B．氧濃度為b時，無氧呼吸消耗葡萄糖的量是有氧呼吸的5倍

C．氧濃度為c時，無氧呼吸最弱

D．氧濃度為d時，有氧呼吸強度與無氧呼吸強度相等。

本題是在例1圖的基礎上選取了氧濃度不同的幾個關鍵點，以柱狀圖的形式考查不同氧濃度下植物器官有氧呼吸和無氧呼吸情況。對比兩圖可知，d點就是例1圖中的P點，c點表示的是CO₂釋放總量的最低點，a點表示的是氧濃度為0時的情況。因此，解題關鍵是分析清楚各氧濃度下，無氧呼吸與有氧呼吸的狀況。以CO₂釋放量相對值計算：a濃度：氧吸收為0，只有無氧呼吸．b濃度：有氧呼吸為3，無氧呼吸為(8—3)；c濃度：有氧呼吸為4，無氧呼吸為(6～4)；d濃度：有氧呼吸為7，無氧呼吸為0。由此判斷：c濃度最適于貯藏；b濃度無氧呼吸消耗葡萄糖為2．5，為有氧呼吸(0．5)的5倍；d點無氧呼吸為0。

2．3改變問題情境

【例3】 圖5表示北方一個貯存白菜的地窖隨著O₂的消耗CO₂濃度變化的情況，請據圖回答：(1)地窖中的白菜主要進行無氧呼吸的是曲線中的哪一段?請寫出無氧呼吸的反應式。(2)從哪點開始，氧濃度的高低成為限制有氧呼吸的因素?(3)為了有利于較長時間地貯存大白菜，應把地窖里的O₂控制在曲線中的哪一段范圍內？

本題選取貯存白菜的地窖中隨著O₂的消耗CO₂濃度的變化來考查不同氧濃度下植物有氧呼吸和無氧呼吸情況。本題在“貯存白菜的地窖”這個相對封閉的情境下，縱坐標的含意與前面的曲線圖相比發生了改變，前面曲線圖中縱坐標的CO₂釋放表示的是某一氧濃度下植物有氧呼吸和無氧呼吸的強度，而本題縱坐標的CO₂濃度表示的是當氧濃度變化到某一點時，植物呼吸作用所積累的CO₂的總和。因此，曲線AB段的CO₂濃度的迅速增大說明在該曲線段所對應的氧濃度下植物進行有氧呼吸。曲線BC段的CO₂濃度的緩增說明在該曲線段所對應的氧濃度下植物的呼吸作用(包括無氧呼吸和有氧呼吸)最弱，也說明B點開始，氧濃度的高低成為了限制有氧呼吸的因素，同時又由于氧的存在，植物無氧呼吸受抑制，使植物的無氧呼吸也維持在比較低的水平。隨著氧濃度的進一步降低，植物無氧呼吸逐漸增強，所以，曲線CD段的CO₂濃度的再次迅速增大是植物進行無氧呼吸的結果。

2．4曲線的拓展

【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)。現利用一裝置來測定一定量的酵母菌在不同O₂濃度下的O₂吸收量和CO₂釋放量。實驗結果如表1所示。

請問：當O₂濃度為3％時，酵母菌的呼吸商是多少?O₂濃度為3％時，酵母菌的呼吸方式是什么?表中顯示，從O₂濃度是多少起，酵母菌只進行有氧呼吸。

本題的拓展首先體現研究對象上，圖1和圖2主要討論的是植物的呼吸作用，其實對于無氧呼吸是酒精發酵的單細胞真核生物酵母菌來說也符合圖1和圖2的規律。其次體現在呼吸的底物上，在前面各題的討論中，其實默認了一個前提條件，即呼吸底物均為葡萄糖，因此在植物只進行有氧呼吸時，釋放CO₂量與吸收O₂量相等，即兩條曲線有重合部分，重合部分的呼吸商相等，且均為1。而在本題中，如果把上述實驗結果轉換成曲線圖(見圖6)，則可以發現CO₂釋放曲線與O₂吸收曲線并沒有重合部分，說明酵母菌的呼吸底物并不是單純的葡萄糖。由表中數據可計算出在O₂濃度為3％時，酵母菌的呼吸商是1．67，根據圖6由前面的討論可知，此時的酵母菌既進行無氧呼吸，也進行有氧呼吸。由分析可知，隨氧濃度的增加，當呼吸商不變時，生物只進行有氧呼吸。據表1中數據，當氧濃度為7％時，酵母菌的呼吸商是1．2，且以后隨氧濃度的變化，呼吸商均為1．2，這說明氧濃度從7％起，酵母菌只進行有氧呼吸。