CO2

吕福劳

摘 要：从光合作用入手，分析了二氧化碳对植物生长的影响，动物生命活动调节中的作用以及在生态学中的独特作用。同时联系教学实例总结了一些与二氧化碳有关的特殊的习题。

关键词：光合作用；细胞呼吸；同位素；调节

自然界中光合作用是一种神奇的生命活动，它将光能转变成稳定的化学能。将二氧化碳和水转变成有机物。二氧化碳作为其中的原料之一，在一定程度上影响着有机物的生成以及能量的转变。细胞呼吸将有机物氧化分解为无机物，释放储存在有机物中的化学能用于进行生物体的各项生命活动。二氧化碳作为细胞呼吸中有氧呼吸的产物之一，同样在一定程度上会影响物质的分解、能量的供给，影响生物体的生命活动。

一、同位素检测二氧化碳的物质转移途径

美国科学家卡尔文等用14C标记的14CO2供小球藻进行光合作用，然后追踪检测14C的去向，最终探明了14CO2首先与小球藻体内的C5（一种五碳化合物）结合，形成14C3（一种三碳化合物）。在有关酶的催化下，14C3接受了ATP释放的能量并且被（H）还原。随后，一些接受了能量并被还原的14C3经过一系列的生化反应，形成（14CH2O）（表示糖类）。在细胞呼吸中用18O标记的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部无放射性，即C6H1218O6→C18O2。

二、细胞呼吸中生成二氧化碳的检测

可以根据澄清石灰水变浑浊的快慢和溴麝香草酚蓝水溶液由蓝变绿再变黄的速率来比较二氧化碳生成的快慢。溴麝香草酚蓝水溶液识别的其实不是CO2，而是pH，配置的是近中性的显蓝色，酸性稍强显黄色，中间较弱酸性显黄色和蓝色混合得到的绿色，至于原因是质子化状态影响到了分子的共轭，导致能级变大，

吸收光的波长变短，显示它的互补色。

在生物学实验中常用0.1%BTB溶液的水鉴定CO2的存在，如果水中二氧化碳含量增加，变为酸性时，水就会由蓝色变为黄绿色。0.1%BTB溶液的水鉴定CO2的存在，有点像澄清石灰水的作用，不过精度比石灰水高，而且没有SO2的干扰。

三、植物固定二氧化碳的途径

高等植物固定二氧化碳的生化途径有3种，即卡尔文循环（C_3

途径）、四碳二羧酸途径（C_4途径）和景天科植物酸代谢途径（CAM途径）。根据光合二氧化碳固定方式的不同，高等植物可分为C_3、C_4植物和CAM植物。在C_3途径中，碳素同化的最初产物是三碳化合物三磷酸甘油酸（PGA），C_3途径因此而得名。

例1.景天科植物有一个很特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸储存在液泡中，白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，十字花科植物的CO2同化过程中CO2直接与二磷酸核酮糖结合，参与卡尔文循环。请回答：景天科植物夜晚能吸收CO2，却不能合成（CH2O）的原因是__________；白天景天科植物进行光合作用所需的CO2的来源有_________。参考答案：没有光照，光反应不能正常进行，无法为暗反应提供所需的ATP、[H] （苹果酸经脱羧作用）体内物质转化过程中释放的和呼吸作用产生的。

四、二氧化碳与细胞代谢

二氧化碳既是光合作用的原料，又是细胞呼吸的产物，对于植物的生命活动具有重要的影响，高考中细胞代谢是常考必考的考点，在生活中利用二氧化碳影响生物体的实例也较多。如通过提高二氧化碳浓度来提高大棚中植物的产量；输氧时氧气中必须要含一定浓度的氧气。

例2.将一植物放在密闭的玻璃罩内，置于室外进行培养，假定玻璃罩内植物的生理状态与自然环境中相同。获得实验结果如下图。下列有关说法不正确的是：

A.图乙中的c点对应图甲中的C点，此时细胞内的气体交换状态对应图丙中的①；B.图甲中的F点对应图乙中的h点，此时细胞内的气体交换状态对应图丙中的③；C.到达图乙中的d点时，玻璃罩内CO2浓度最高，此时细胞内气体交换状态对应图丙中的③；D.经过这一昼夜之后，植物体的有机物含量会增加。

分析：图甲中的C点是光合速率等于呼吸速率的点，对应图乙中的d点，此时细胞内的气体交换状态对应图丙中的③，A错；图甲中的F点是光合速率等于呼吸速率的点，对应图乙中的h点，

此时细胞内的气体交换状态对应图丙中的③，B正确；图乙中的d点时，光合速率等于呼吸速率的点，此后光合速率大于呼吸速率，所以d点时玻璃罩内CO2浓度最高，C正确；经过这一昼夜之后，G点小于A点，表明植物净消耗了CO2，植物体的有机物含量会增加，D正确。

例3.将一长势良好的健壮植株在密闭玻璃罩内培养，并置于室外，用CO2测定仪测定玻璃罩内CO2的浓度在一天内的变化情况，绘成曲线如下图甲所示。图乙表示该植株处于光照下的一个叶肉细胞，a表示该细胞的线粒体进行细胞呼吸放出的CO2量，b表示该细胞的叶绿体进行光合作用吸收的CO2量。请据图回答下列问题（不考虑这一天内植株生长对细胞呼吸和光合作用的影响）：假设密闭玻璃罩内植株所有进行光合作用的细胞的光合作用强度一致，图乙表示该植株的一个进行光合作用的细胞，那么，当在图甲中D点时，图乙中a________（填“>”“=”或“<”）b。

分析：图甲中D点表示植物体的光合速率与呼吸速率相等，而在植物体内只有部分细胞能进行光合作用，因此就每一个能进行光合作用的细胞来说，其光合速率必定大于呼吸速率，即图乙中a小于b。

五、二氧化碳与生命活动的调节

植物的生命活动离不开二氧化碳，二氧化碳在动物的生命活动调节中同样具有重要的意义。环境CO2浓度升高，导致动脉血中CO2分压升高，CO2分子透过血—脑屏障进入脑脊液，形成H2CO3，解离出H+，随着脑脊液的CO2分压升高，其中的H+浓度随之升高，一方面通过刺激外周化学感受器（颈动脉体和主动脉体），冲动分别由窦神经和迷走神经传入延髓呼吸神经元，使其兴奋，导致呼吸加深加快。另一方面是刺激延髓腹侧面的中枢化学感受区，再引起延髓呼吸神经元兴奋。这种感受器对氢离子浓度变化敏感，它们的活动影响到调节呼吸的呼吸中枢，通过中枢的作用再引起呼吸肌运动的加强，使呼吸运动加速、加深。呼吸肌运动加强，使肺通气量加大，肺对CO2的排出能力加强，这种负反馈调节就使动脉血CO2分压下降，使动脉血的CO2分压处于一定的水平。

六、二氧化碳与环境保护

现在地球上气温越来越高，是因为二氧化碳增多造成的。因为二氧化碳具有保温的作用，使温度升高，近100年，全球气温升高0.6℃，照这样下去，预计到21世纪中叶，全球气温将升高1.5℃～

4.5℃。海平面升高，也是二氧化碳增多造成的，到21世纪中叶，海平面将会上升25～140厘米，海平面的上升，亚马逊雨林将会消失，两极海洋的冰块也将全部融化。所有这些变化对野生动物而言无异于灭顶之灾。空气中含有约0.03%二氧化碳，但由于人类活动（如化石燃料燃烧）影响，近年来二氧化碳含量猛增，导致温室效应、全球气候变暖、冰川融化、海平面升高……旨在遏制二氧化碳过量排放的《京都议定书》已经生效，有望通过国际合作遏制温室效应。

编辑 谢尾合