光合速率的测定方法及练习题

光合速率的测定方法例析光合速率的测定方法例析 光合作用是高考的重点内容 如何提高光合作用总产量 是科研人员一直要解决的与人类社会 和生活息息相关的生物学问题 而提高光合作用总产量的关键是提高光合作用速率 简称光合速率 光合速率指单位时间 单位叶面积的 CO2的吸收量或者是 O2的释放量 也可以用单位时间 单 位叶面积干物质积累数表示 通常以每小时每平方分米叶面积吸收二氧化碳毫克数表示 mg dm2 h 一般测定光合速率的方法都没有考虑叶子的呼吸作用 所以测定的结果实际是光合作用 速率减去呼吸作用速率的差数 叫做表观光合速率或净光合速率 若能测出其呼吸速率 把它加到 表观光合速率上去 则可测得真正光合速率 真正光合速率 表观光合速率 呼吸速率 光合速率常见的测定方法有哪些呢 光合速率又是如何计算的呢 请看以下几种光合速率的测 定方法 1 1 半叶法半叶法 测光合作用有机物的生产量 即单位时间 单位叶面积干物质产生总量测光合作用有机物的生产量 即单位时间 单位叶面积干物质产生总量 例例 1 1 某研究小组用番茄进行光合作用实验 采用 半叶法 对番茄叶片的光合作用强度进 行测定 其原理是 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 则可计算出该叶片的光合作用强度 其单位是 mg dm2 h 问题 若 M MB MA 则 M 表示 解析解析 本方法又叫半叶称重法 常用大田农作物的光合速率测定 如图 1 所示 A 部分遮光 这半片叶片虽不能进行光合作用 但仍可照常进行呼吸作用 另一 半 B 部分叶片既能进行光合作用 又可以进行呼吸作用 题中 MB表示 6 小时后叶片初始质量 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 6 小时后初始质量 呼吸作用有机物的消耗量 所以 M MB MA 就是光合作用有机物的经过 6 小时干物质的积累数 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 这样 真正光合速率 单位 mg dm2 h 就是 M 值除以时间再除以面积就可测得 答案 答案 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 变式训练变式训练 1 1 某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合作用速率 做了如图所示实验 在叶柄基部 作环剥处理 仅限制叶片有机物的输入和输出 于不同时间分别在同一叶片上陆续取下面积为 1cm2的叶圆片烘干后称其重量 测得叶片的叶绿体光合作用速率 3y 一 2z x 6 g cm 2 h 1 不考虑取叶圆片后对叶生理活动的影响和温度微小变化对叶生理活动的影响 则 M 处的实验条 A 下午 4 时后将整个实验装置遮光 3 小时 B 下午 4 时后将整个实验装置遮光 6 小时 C 下午 4 时后在阳光下照射 1 小时 D 晚上 8 时后在无光下放置 3 小时 解析 解析 起始干重为上午 10 时移走时的叶圆片干重 x 克 从上午 10 时到下午 4 时 叶片在这 6 小时内既进行光合作用 又进行呼吸作用 所以下午 4 时移走的叶圆片干重 y 克减去上午 10 时 移走时的叶圆片干重 x 克的差值 就等于该叶圆片净光合作用干物质量 y 一 x 克 若要求出呼吸作用干物质量 应将叶片遮光处理 先假设叶片遮光处理为 M 小时后干重为 z 克 下午 4 时移走的叶圆片干重 y 克减去叶片遮光处理 M 小时后的干重 z 克差值 就是呼吸作用干物 质量 y 一 x 克 已知 测得叶片的叶绿体光合作用速率 3y 一 2z x 6 g cm 2 h 1 据真正光合速率 表 观光合速率 呼吸速率 得出 3y 一 2z x 6 y 一 x 6 y 一 x M 计算出 M 3 小时 A A 选项正确选项正确 2 2 气体体积变化法气体体积变化法 测光合作用测光合作用 O O2 2产生产生 或或 COCO2 2消耗消耗 的体积的体积 例例 2 2 某生物兴趣小组设计了图 2 装置进行光合速率的测试实验 忽略温度对气体膨胀的影响 测定植物的呼吸作用强度 装置的烧杯中放入适宜浓度的 NaOH 溶液 将玻璃钟罩遮光处理 放在适宜温度的环境中 1 小时后记录红墨水滴移动的方向和刻度 得 X 值 测定植物的净光合作用强度 装置的烧杯中放入 NaHCO3缓冲溶液 将装置放在光照充足 温度适宜的环境中 1 小时后记录红墨水滴移动的方向和刻度 得 Y 值 请你预测在植物生长期红墨水滴最可能移动方向并分析原因 表 1 项目红墨水滴移动方向原因分析 测定植 物呼吸作用 速率 a c 测定植 物净光合作 用强度 b d 解析 解析 测定植物的呼吸作用强度时 将玻璃钟罩遮光处理 绿色植物只进行呼吸作用 植 物进行有氧呼吸消耗 O2 而释放的 CO2气体被装置烧杯中的 NaOH 溶液吸收 导致装置内气体量减 小 压强减小 红色液滴向左移动 向左移动的距离 X 就代表植物进行有氧呼吸消耗的量 O2量 也就是有氧呼吸产生的 CO2量 测定植物的净光合作用强度 装置的烧杯中放入 NaHCO3缓冲溶液可维持装置中的 CO2浓度 将装置放在光照充足 温度适宜的环境中 又处在植物的生长期 其光合作用强度超过呼吸作用强 度 表现为表观光合作用释放 O2 致装置内气体量增加 红色液滴向右移动 向右移动距离 Y 就 代表表观光合作用释放 O2量 也就是表观光合作用吸收的 CO2量 所以 依据实验原理 真正光合速率 呼吸速率 表观光合速率 就可以计算出光合速率 答案答案 a 向左移动 c 将玻璃钟罩遮光处理 绿色植物只进行呼吸作用 植物进行有氧呼 吸消耗 O2 而释放的 CO2气体被装置烧杯中 NaOH 溶液吸收 导致装置内气体量减小 压强减小 红色液滴向左移动 b 向右移动 d 装置的烧杯中放入 NaHCO3缓冲溶液可维持装置中的 CO2浓度 将装置放在光 照充足 温度适宜的环境中 在植物的生长期 光合作用强度超过呼吸作用强度 表现为表观光合 作用释放 O2 致装置内气体量增加 红色液滴向右移动 变式训练变式训练 2 2 图 4 是探究绿色植物光合作用速率的实验示意图 装置中的碳酸氢钠溶液可维 持瓶内的二氧化碳浓度 该装置置于 20 环境中 实验开始时 针筒的读数是 0 2mL 毛细管内的 水滴在位置 X 20min 后 针筒的容量需要调至 0 6mL 的读数 才能使水滴仍维持在位置 X 处 据 此回答下列问题 1 若将图中的碳酸氢钠溶液换成等量清水 重复上述实验 20min 后 要使水滴维持在位 置 X 处 针筒的容量 需向左 需向右 不需要 调节 2 若以释放出的氧气量来代表净光合作用速率 该植物的净光合作用速率是 mL h 3 若将图中的碳酸氢钠溶液换成等量浓氢氧化钠溶液 在 20 无光条件下 30min 后 针筒的容量需要调至 0 1mL 的读数 才能使水滴仍维持在 X 处 则在有光条件下该植物的实际光合 速率是 mL h 解析解析 1 由光合作用的总反应式 6CO2 12H2O C6H12O6 6O2 6H2O 可知反应前后气体体 积不变 所以不需要调节针筒容量就可使水滴维持在 X 处 2 光照条件下 由于光合作用吸收的 CO2由缓冲液补充 缓冲液能维持 CO2浓度 同时释放 出 O2导致密闭装置内气体压强增大 若使水滴 X 不移动 其针筒中单位时间内 O2气体容量的增加 就代表表观光合速率的大小 由题可知 若以释放出的氧气量来代表表观光合速率 该植物的表观 光合作用速率是 0 6 0 2 3 1 2 mL h 3 瓶中液体改放为 NaOH 溶液 则装置内 CO2完全被吸收 植物体不能进行光合作用 只能 进行呼吸作用 瓶中气体的变化即呼吸消耗的 O2的变化 则在有光条件下该植物的真正光合速率 表观光合速率 呼吸速率 既 1 2 0 1 2 1 4 mL h 答案 答案 1 不需要 2 1 2 mL h 3 1 4 mL h 3 3 黑白瓶法黑白瓶法 测溶氧量的变化测溶氧量的变化 例例 3 3 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 分别在起始和 24 小时后以温克碘量法测定各组培养瓶中的氧含量 记录数据如下 表 2 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 c 时 白瓶中植物光合作用产生的氧气量为 mg L 24h 3 光照强度至少为 填字母 时 该水层产氧量才能维持生物正常生活耗氧量 所需 解析解析 黑白瓶法常用于水中生物光合速率的测定 白瓶就是透光瓶 里面可进行光合作用和 呼吸作用 黑瓶就是不透光瓶 只能进行呼吸作用 在相同条件下培养一定时间 黑瓶中所测得的 数据可以得知正常的呼吸耗氧量 白瓶中含氧量的变化可以确定表观光合作用量 然后就可以计算 出总光合作用量 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 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 24 小时后 氧含量 即 10 3 7 mg L 24h 2 当光照强度为 c 时 表观光合速率的大小为 24 小时后氧含量 原初溶解氧 即 24 10 14 mg L 24h 呼吸速率为 10 3 7 mg L 24h 真正光合速率为 14 7 21 mg L 24h 3 黑暗时 黑白瓶都是 3 mg L 24h 说明水体生物呼吸速率为 10 3 7 mg L 24h 所 以光照强度至少为 a 时 净光合速率为 10 3 7 mg L 24h 才能维持水中生物正常生活耗氧量 所需 答案答案 1 黑瓶中植物不能进行光合作用产生氧 生物呼吸消耗氧气 7 2 21 3 a 4 4 小叶片浮起数量法小叶片浮起数量法 定性比较光合作用强度的大小定性比较光合作用强度的大小 例例 4 4 探究光照强弱对光合作用强度的影响 操作过程如下 表 3 步骤操 作 方 法说 明 打孔 取生长旺盛的菠菜叶片绿叶 用直径为 1cm 的 打孔器打出小圆形叶片 30 片 注意避开大的叶脉 抽气 将小圆形叶片置于注射器内 并让注射器吸入 清水 待排出注射器内残留的空气后 用手堵住注 射器前端的小孔并缓缓拉动活塞 使小圆形叶片内 的气体逸出 这一步骤可重复几次 材 料 处 理 沉底 将内部气体逸出的小圆形叶片 放入黑暗处盛 有清水的烧杯中待用 叶片细胞间隙充满水而全都 沉到水底 分组 取 3 只小烧杯 标记为 A B C 分别倒入 20mL 富含 CO2的清水 分别向 3 只小烧杯中各放入 10 片小圆形叶片 事先可用口通过玻璃管向清 水内吹气 对照 用 3 盏 40 W 台灯分别向 A B C 3 个实验装 置进行强 中 弱三种光照 光照强弱 自变量 可通过 调节 来决定 观察观察并记录叶片浮起的数量 因变量 实验预期 烧杯中的小 叶片浮起的数目最多 本实验除通过观察相同时间内 叶片上浮数量的多少来反映光合作用速率的大小 还可以通过 三个烧杯中上浮相同叶片数量所用时间的长短来描述 但该实验方法只能比较大小 无法测出具体 的量变 答案 答案 台灯与实验装置间的距离 A 5 5 红外线红外线 COCO2 2传感器传感器 测装置中测装置中 CO2CO2 浓度的变化浓度的变化 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 例例 5 5 为测定光合作用速率 将一植物幼苗放入大锥形瓶中 瓶中安放一个 CO2传感器来监测 不同条件下瓶中 CO2浓度的变化 如下图 5 所示 相同温度下 在一段时间内测得结果如图 6 所示 请据图回答 1 在 60 120min 时间段内 叶肉细胞光合作用强度的变化趋势为 理 由是 2 在 60 120min 时间段 瓶内 CO2浓度下降的原因是 此时间 段该植物光合速率为 ppm min 解析 解析 1 在 60 120min 时间段内 叶肉细胞光合作用强度的变化趋势为逐渐降低 理由是 C02的浓度逐渐降低 2 在 60 120min 时间段 瓶内 CO2浓度下降的原因是 植物的光合作用强度大于呼吸作用 强度 CO2不断减少 用瓶中安放的 CO2传感器来监测瓶中 CO2浓度 60min 内的变化是 1500 500 1000 ppm 该数值是 60min 内净光合作用消耗的 CO2量 在 0 60min 时间段 瓶内 CO2浓度上升的原因是 植物在黑暗条件下只进行呼吸作用 60min 内植物呼吸释放 CO2量是 1500 1000 500 ppm 所以 此时间段该植物光合速率为 1000 500 60 25 ppm min 答案 答案 1 逐渐降低 C02的浓度逐渐降低 2 植物的光合作用强度大