一、影響光合作用的環(huán)境因素
1．光合速率：可以用單位時(shí)間單位葉面積上的CO2固定量或O2釋放量來表示。
2．光照是植物進(jìn)行光合作用的必要條件
(1)光照強(qiáng)度會(huì)影響光合速率
①光照強(qiáng)度可以用單位葉面積上所接收的可見光能量來表示。
②光照強(qiáng)度對(duì)光合速率的影響示意圖
③在一定范圍內(nèi)，光合速率隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而相應(yīng)增加；當(dāng)達(dá)到某一定值后，光照強(qiáng)度即使繼續(xù)增強(qiáng)，光合速率也不再增加。
(2)光質(zhì)
①葉綠體中的色素對(duì)不同光質(zhì)的光有不同的吸收值。
②實(shí)驗(yàn)表明，葉綠素a和葉綠素b在藍(lán)光區(qū)和紅光區(qū)各有兩個(gè)吸收高峰，類胡蘿卜素的吸收高峰在藍(lán)光區(qū)。
葉綠體中的色素不吸收或很少吸收綠光。
3．CO2是光合作用的原料之一
(1)CO2濃度對(duì)光合速率的影響示意圖
(2)在一定范圍內(nèi)，植物光合速率隨著環(huán)境中CO2濃度的上升而增加，在CO2濃度達(dá)到某一定值后，再增加CO2濃度，光合速率也不再增加。
4．溫度對(duì)光合作用中酶活性的影響很大，因而對(duì)光合速率也有明顯的影響。酶對(duì)溫度很敏感，低溫或高溫會(huì)導(dǎo)致酶活性降低，光合速率也會(huì)降低。
5．土壤中的水分含量和無機(jī)鹽的種類也會(huì)影響光合速率
(1)水是光合作用的原料之一，充足的水分能直接影響植物的光合速率。
(2)氮素是蛋白質(zhì)、核酸的組成成分，充足的氮素供應(yīng)可以促進(jìn)葉面積的增大和葉數(shù)量的增多，從而增加光照面積，間接地影響植物的光合速率。
(3)鎂是葉綠素的組成成分，適時(shí)補(bǔ)充鎂元素可以促進(jìn)葉綠素的合成，從而影響光合速率。
二、影響細(xì)胞呼吸的環(huán)境因素
1．呼吸速率是植物細(xì)胞代謝強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)，常用單位面積或單位重量的植物體在單位時(shí)間內(nèi)所吸收O2或釋放CO2的量來表示。
2．溫度對(duì)細(xì)胞呼吸主要影響了與細(xì)胞呼吸有關(guān)的酶的活性。
(1)在一定的溫度范圍內(nèi)，酶活性因溫度的升高而提高，呼吸速率也會(huì)增高；到達(dá)最高值后，因溫度高于酶的最適溫度，酶活性降低，因而呼吸速率也隨著溫度的升高而下降。
(2)細(xì)胞呼吸的最適溫度、最低溫度和最高溫度會(huì)因植物的種類和生理狀態(tài)的不同而有較大差異。
(3)植物細(xì)胞呼吸的最適溫度一般高于光合作用的最適溫度，因此，當(dāng)細(xì)胞呼吸處于最適溫度時(shí)，細(xì)胞呼吸旺盛，而光合作用可能已經(jīng)有所減弱。
3．氧是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的必要條件
(1)在氧濃度較低的范圍內(nèi)，植物的呼吸(有氧呼吸)速率隨氧濃度的增加而升高，但增至一定程度時(shí)，呼吸速率就不再升高了。
(2)在缺氧條件下，植物可短暫地進(jìn)行無氧呼吸，但由于有機(jī)物的不完全氧化，積累的不完全氧化產(chǎn)物會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害，所以，無氧呼吸最終常會(huì)使植物受到傷害。
(3)蘋果細(xì)胞無氧呼吸會(huì)積累過多酒精，結(jié)果細(xì)胞受到毒害而死亡，失去抵御微生物入侵的能力，最后蘋果腐爛。同樣，動(dòng)物在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)因無氧呼吸積累過多的乳酸，從而出現(xiàn)肌肉酸痛。
(4)在以有氧呼吸為主的生物體內(nèi)，隨著氧濃度的提高，有氧呼吸會(huì)增強(qiáng)，無氧呼吸會(huì)有所減弱。
4．二氧化碳是細(xì)胞呼吸的最終產(chǎn)物
(1)空氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)約為0.033%。當(dāng)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)高于5%時(shí)，細(xì)胞呼吸明顯受到抑制。
(2)在土壤中，根系土壤微生物的細(xì)胞呼吸會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，當(dāng)土壤板結(jié)、深層通氣不良時(shí)，積累的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)可達(dá)4%～10%，甚至更高。此時(shí)若不及時(shí)中耕松土，根部細(xì)胞的有氧呼吸會(huì)嚴(yán)重受阻。
(3)一些植物(如豆科植物)種子由于種皮的限制，細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的二氧化碳難以被釋放出來，種皮內(nèi)積聚較高濃度的二氧化碳會(huì)抑制細(xì)胞呼吸，導(dǎo)致種子進(jìn)入休眠狀態(tài)。
5．植物組織的含水量與呼吸速率也有密切關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，細(xì)胞呼吸速率隨組織含水量的增加而增高。干燥種子的細(xì)胞呼吸速率很低，而當(dāng)種子吸水后，細(xì)胞呼吸速率迅速增高。
6．植物種類的不同以及同一植物的不同組織器官，也能影響植物細(xì)胞的呼吸速率。
(1)不同種類的植物呼吸速率不同。一般來說，旱生植物生長緩慢，細(xì)胞呼吸速率比水生植物低；陰生植物所處的地方光照強(qiáng)度較弱，細(xì)胞呼吸速率比陽生植物低。
(2)同一種植物在不同的生長發(fā)育時(shí)期，細(xì)胞呼吸速率有所不同。一般在幼苗期、開花期等生長旺盛期，細(xì)胞呼吸速率增高。同一種植物的不同器官，細(xì)胞呼吸速率也有所不同，一般生殖器官比營養(yǎng)器官的細(xì)胞呼吸速率高，幼嫩的組織器官比衰老的組織器官的細(xì)胞呼吸速率高。
三、光合作用和細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用
1．增加光照面積、延長光照時(shí)間等可以充分利用光能。
2．適當(dāng)增強(qiáng)細(xì)胞呼吸可以促進(jìn)作物的生長發(fā)育。
(1)在水稻生產(chǎn)中，適時(shí)采取露田和曬田等措施，就是為了改善土壤通氣條件，以增強(qiáng)根系的細(xì)胞呼吸。
(2)合理密植也有利于作物的細(xì)胞呼吸和光合作用。作物種植過密，在高溫和光照不足的情況下，細(xì)胞呼吸消耗過大，光合作用產(chǎn)物被較多地分解，因而凈光合速率降低，產(chǎn)量受到影響。
3．在儲(chǔ)藏果蔬時(shí)，一般采用適當(dāng)降低溫度或氧濃度的方法，抑制細(xì)胞呼吸，以減少有機(jī)物的消耗。
4．在儲(chǔ)藏糧食時(shí)，通過降低糧倉的濕度，使儲(chǔ)存的種子保持干燥，以抑制細(xì)胞呼吸，延長保存期限。
判斷對(duì)錯(cuò)(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)
1．光照強(qiáng)度影響光合作用但光質(zhì)不影響。( )
2．溫度只影響暗反應(yīng)過程，因?yàn)橹挥邪捣磻?yīng)需要酶的催化。( )
3．CO2濃度是通過影響暗反應(yīng)過程來影響光合作用的。( )
4．植物處在干旱環(huán)境中，光合作用不能正常進(jìn)行，主要影響光反應(yīng)中水的光解。( )
5．儲(chǔ)存蔬菜、水果時(shí)應(yīng)隔絕O2，以減弱細(xì)胞呼吸。( )
6．稻田需要定期排水，否則水稻幼苗因缺氧生成乳酸而變黑、腐爛。( )
提示：1.× 光質(zhì)也能影響光合作用。
2．× 受溫度影響，光反應(yīng)也需酶的催化。
3．√
4．× 植物缺水，則氣孔關(guān)閉，CO2供應(yīng)不足，影響暗反應(yīng)，水的光解只需很少H2O就能進(jìn)行。
5．× 若隔絕O2，細(xì)胞無氧呼吸會(huì)加強(qiáng)，不利于蔬菜、水果的儲(chǔ)存，而應(yīng)低氧儲(chǔ)存。
6．× 水稻幼苗缺氧生成乙醇。
影響光合作用的環(huán)境因素
1．光照強(qiáng)度
(1)原理分析：光照強(qiáng)度主要影響光反應(yīng)階段ATP和[H]的產(chǎn)生，進(jìn)而限制暗反應(yīng)階段。
(2)曲線分析
(3)應(yīng)用分析
①欲使植物正常生長，則光照強(qiáng)度應(yīng)大于B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度。
②適當(dāng)提高光照強(qiáng)度可增加作物產(chǎn)量。
③陰生植物的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)比較低，間作套種時(shí)農(nóng)作物的種類要合理搭配。
2．CO2的濃度
(1)原理分析：通過影響暗反應(yīng)階段，制約C3生成。
(2)曲線分析
圖1 圖2
①走勢分析：圖1和圖2都表示在一定范圍內(nèi)，光合作用速率隨CO2濃度的增大而增大，但當(dāng)CO2濃度增加到一定范圍后，光合作用速率不再增加。
②關(guān)鍵點(diǎn)分析：圖1中A點(diǎn)表示光合作用速率等于細(xì)胞呼吸速率時(shí)的CO2濃度，即CO2補(bǔ)償點(diǎn)。
圖2中A′點(diǎn)表示進(jìn)行光合作用所需CO2的最低濃度。圖1和圖2中的B和B′點(diǎn)都表示CO2飽和點(diǎn)。
(3)應(yīng)用分析
①溫室中適當(dāng)增加CO2濃度，如投入干冰等；
②大棚中“正其行，通其風(fēng)”，以及多施有機(jī)肥來提高CO2濃度。
3．溫度
(1)原理分析：通過影響酶活性進(jìn)而影響光合作用。
(2)曲線分析
①AB段：隨著溫度升高，光合作用增強(qiáng)。
②B點(diǎn)：光合作用最適溫度。
③BC段：隨著溫度升高，光合作用減弱。
④溫度過高時(shí)，酶失活，光合作用完全停止。
(3)應(yīng)用分析
①適時(shí)播種。
②溫室栽培時(shí)白天適當(dāng)提高溫度，夜間適當(dāng)降低溫度。
4．水和營養(yǎng)元素
(1)水：是光合作用重要的反應(yīng)物，又可影響氣孔的開閉，間接影響CO2的吸收，還可影響光合產(chǎn)物的運(yùn)輸，從而影響光合速率。
(2)營養(yǎng)元素：影響細(xì)胞內(nèi)許多化合物的合成，從而影響植物體的光合作用，如氮是構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)葉綠素、酶、ATP等物質(zhì)的基本元素，可以促進(jìn)葉面積的增大和葉片數(shù)量的增多，從而影響光合作用。
其他影響光合作用的因素
(1)因葉綠體中色素對(duì)各種色光的吸收不同，光質(zhì)(不同色光)也會(huì)影響光合作用強(qiáng)度。
(2)光照時(shí)間的長短不影響光合作用速率，但可以影響植物體光合作用的總量，從而影響植物的生長。
(3)葉齡也會(huì)影響光合作用強(qiáng)度，隨葉齡的增大，葉面積逐漸增大，光合作用速率也隨之增大，到成熟時(shí)達(dá)到最大，之后隨葉片衰老，葉綠素不斷分解，光合作用速率隨之下降。
5．多因子變量
實(shí)踐應(yīng)用：各種環(huán)境因素同時(shí)對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生影響，請(qǐng)問冬季早晨和夏季早晨限制光合作用的因素分別是什么？
提示：冬季早晨溫度較低，溫度是限制光合作用的主要因素；夏季早晨溫度較高，光照較弱，光照是限制光合作用的主要因素。
1．已知某植物光合作用和細(xì)胞呼吸的最適溫度分別為25 ℃和30 ℃。如圖表示該植物在25 ℃時(shí)光合強(qiáng)度與光照強(qiáng)度的關(guān)系。若將溫度提高到30 ℃的條件下(其他條件不變)，從理論上講，圖中相應(yīng)點(diǎn)的移動(dòng)應(yīng)該是( )
A．a(chǎn)點(diǎn)上移，b點(diǎn)左移，m點(diǎn)上移
B．a(chǎn)點(diǎn)不移，b點(diǎn)左移，m點(diǎn)不移
C．a(chǎn)點(diǎn)下移，b點(diǎn)右移，m點(diǎn)下移
D．a(chǎn)點(diǎn)下移，b點(diǎn)不移，m點(diǎn)上移
C [溫度由25 ℃升高到30 ℃，對(duì)于細(xì)胞呼吸而言，達(dá)到最適溫度，呼吸速率增大；對(duì)于光合作用而言，超過最適溫度，光合速率下降。因此，a點(diǎn)因細(xì)胞呼吸加強(qiáng)而往下移。b點(diǎn)為光補(bǔ)償點(diǎn)，一方面細(xì)胞呼吸加強(qiáng)，需較強(qiáng)的光照強(qiáng)度才能產(chǎn)生與細(xì)胞呼吸消耗量相當(dāng)?shù)挠袡C(jī)物，另一方面光合速率下降，產(chǎn)生有機(jī)物的速率也下降，也需較強(qiáng)的光照強(qiáng)度才能產(chǎn)生與原來等量的有機(jī)物，所以b點(diǎn)右移；因溫度超過光合作用最適溫度，酶活性下降，光合作用強(qiáng)度降低，m點(diǎn)下移，故選C。]
2．某植物凈光合速率的變化趨勢如圖所示，據(jù)圖回答下列問題：
(1)當(dāng)CO2濃度為a時(shí)，高光強(qiáng)下該植物的凈光合速率為________________。CO2濃度在a～b之間時(shí)，曲線________________表示了凈光合速率隨CO2濃度的增高而增高。
(2)CO2濃度大于c時(shí)，曲線B和C所表示的凈光合速率不再增加，限制其增加的環(huán)境因素是_______________________________。
(3)當(dāng)環(huán)境中CO2濃度小于a時(shí)，在圖示的3種光強(qiáng)下，該植物細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2量________(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用吸收的CO2量。
(4)據(jù)圖可推測，在溫室中，若要采取提高CO2濃度的措施來提高該種植物的產(chǎn)量，還應(yīng)該同時(shí)考慮______這一因素的影響，并采取相應(yīng)措施。
[解析] (1)根據(jù)曲線圖可知，當(dāng)CO2濃度為a時(shí)，高光強(qiáng)下(曲線A)該植物的凈光合速率為0；分析坐標(biāo)圖中曲線的走勢可以看出，當(dāng)CO2濃度在a～b之間時(shí)，曲線A、B、C的凈光合速率都隨著CO2濃度的增高而增高。(2)由題圖可知，影響凈光合速率的因素為CO2濃度和光強(qiáng)。當(dāng)CO2濃度大于c時(shí)，由于受光強(qiáng)的限制，光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]和ATP不足，暗反應(yīng)受到限制，曲線B和C的凈光合速率不再增加。(3)當(dāng)環(huán)境中的CO2濃度小于a時(shí)，在圖示的3種光強(qiáng)下，植物的凈光合速率小于0，說明該植物此時(shí)細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2量大于光合作用吸收的CO2量。(4)據(jù)圖可推測，光強(qiáng)和CO2濃度都會(huì)影響植物的凈光合速率，因此若要采取提高CO2濃度的措施來提高該種植物的產(chǎn)量，還應(yīng)同時(shí)考慮光強(qiáng)這一因素的影響。
[答案] (1)0 A、B、C (2)光強(qiáng) (3)大于 (4)光強(qiáng)
影響細(xì)胞呼吸的因素
1．影響細(xì)胞呼吸的內(nèi)因——遺傳因素
遺傳物質(zhì)的不同決定酶的種類和數(shù)量不同，進(jìn)而影響細(xì)胞呼吸的類型、速率等。
(1)生物的細(xì)胞呼吸類型
①需氧型生物——需在氧氣充足的條件下才能正常生活，如人、絕大多數(shù)動(dòng)植物。
②厭氧型生物——需要在無氧條件下才能正常生活，有氧時(shí)呼吸作用會(huì)受到抑制，甚至不能生長，如乳酸菌、破傷風(fēng)桿菌。
③兼性厭氧生物——在有氧條件下進(jìn)行有氧呼吸，在無氧條件下進(jìn)行無氧呼吸，如酵母菌。
(2)不同種、不同生長發(fā)育時(shí)期或不同組織器官，細(xì)胞呼吸速率有差異(以植物為例)
①不同種類植物的細(xì)胞呼吸速率不同，一般旱生植物小于水生植物，陽生植物大于陰生植物。
②同一植物在不同生長發(fā)育時(shí)期呼吸速率不同，如幼苗期、開花期呼吸速率升高，成熟期呼吸速率下降。
③同一植物的不同組織器官呼吸速率不同，一般生殖器官大于營養(yǎng)器官。
2．影響細(xì)胞呼吸的外因——環(huán)境因素
(1)溫度
①影響(如圖)：細(xì)胞呼吸是一系列酶促反應(yīng)，溫度通過影響酶的活性進(jìn)而影響細(xì)胞呼吸速率。細(xì)胞呼吸的最適溫度一般在25～35 ℃之間。
②應(yīng)用eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(低溫儲(chǔ)存食品,大棚栽培在夜間和陰天適當(dāng)降溫,溫水和面發(fā)得快))
(2)氧氣
①影響(如圖)：O2是有氧呼吸所必需的，且O2對(duì)無氧呼吸過程有抑制作用。
a．O2濃度＝0時(shí)，只進(jìn)行無氧呼吸。
b．0

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第四節(jié) 影響光合作用和細(xì)胞呼吸的環(huán)境因素

版本： 蘇教版 (2019)

年級(jí)： 必修1《分子與細(xì)胞》

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