解决光下叶肉细胞气体转移问题的关键

朱光辉　戴学琼

【中图分类号】G633.91 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）06-0086-01

不同光照条件下气体在叶绿体和线粒体之间以及叶肉细胞和空气之间的交换，一直是困扰老师和学生的大问题，解决这一问题的关键就是自由扩散。

1.自由扩散

人教版教材是这样给出的自由扩散：物质通过简单的扩散作用进出细胞叫作自由扩散。像CO₂和O₂这样的物质通过细胞膜进出细胞就是自由扩散，细胞膜、线粒体膜、叶绿体膜都是生物膜，CO₂和O₂跨膜进出线粒体、叶绿体也是自由扩散。自由扩散的重要特点就是顺浓度梯度扩散，物质运输的速度主要取决于浓度差。

CO₂和O₂在空气、叶绿体和线粒体中的浓度是怎样的呢？叶绿体在光下能不断进行光合作用消耗CO₂生成O₂，可认为CO₂浓度最低，O₂浓度最高；线粒体不断进行有氧呼吸消耗O₂生成CO₂，可认为O2浓度最低，CO₂浓度最高；空气中CO₂和O₂浓度介于叶绿体中的浓度和线粒体中的浓度之间。即光下三者之间O2浓度的关系：叶绿体中O₂浓度＞空气中O₂浓度＞线粒体中O₂浓度；光下三者之间CO₂浓度的关系：线粒体中CO₂浓度＞空气中CO₂浓度＞叶绿体中CO₂浓度。叶绿体和线粒体之间的O₂浓度差最大；线粒体和叶绿体之间的CO₂浓度差最大。

2.气体转移

在光下，自然环境中，气体的转移情况如图所示。

3.分析不同光照条件下的气体转移

根据如图所示的不同光照条件下光合作用强度曲线（用CO₂的吸收和释放来表示），克服气体进出平衡的那一部分，我们可以这么理解：

当光照强度为零时，也就是A点对应的位置。只有呼吸作用而没有光合作用，线粒体沿d途径从空气中获取O₂，产生的CO₂沿c途径排入空气。

当光照强度处于OB段，即光合作用强度小于呼吸作用的强度时。对于线粒体来说，O₂可来源于叶绿体和空气，考虑到叶绿体和线粒体之间O₂的浓度差最大，可以说O₂快速来源于叶绿体，不足的由空气中的O₂补充,即O₂主要沿b、d途径进入线粒体；同理分析线粒体产生的CO₂主要沿 a、c途径扩散到叶绿体和空气。对于叶绿体来说，叶绿体可快速从线粒体处获取CO₂，由于光合作用强度很弱，所需的CO₂完全可由线粒体提供，即叶绿体所需的CO₂主要沿a途径进入；同理分析叶绿体产生的少量O₂主要沿b途径扩散。

当光照强度为B，即光合作用强度和呼吸作用强度相等时。对于线粒体来说，考虑到叶绿体和线粒体之间O₂的浓度差最大，可以说O₂快速来源于叶绿体，且叶绿体产生的O₂恰好满足线粒体的需求，即线粒体所需的O₂主要沿b途径进入；同理分析线粒体产生的CO₂可沿a途径散失。对于叶绿体来说也是如此分析，叶绿体所需的CO₂主要沿a途径进入, 产生的O₂主要沿b途径散失。

当光照强度大于B，光合作用强度大于呼吸作用强度时。对于线粒体来说，所需的O₂可快速来源叶绿体，由于呼吸作用相对较弱，需要的O₂较少，就是说线粒体需要的O₂沿b途径进入就能满足, 产生的CO₂的主要沿a途径散失；对于叶绿体来说，所需的CO₂可快速来源于线粒体，不能满足的部分由空气中的CO₂补充，即CO₂主要沿a、e途径进入叶绿体，叶绿体产生的O₂主要沿b、f途径散失。

同样的分析方法，请看下面的例题，注意叶片周围的空气是经过NaOH溶液的。

4.例题

用大豆新鲜绿叶进行如图所示的实验，置于充足的光照下，分析D处的气体成分，最可能的是（）

A．氧气的量多于B处 B．氧气的量与B处相等

C．没有CO2和O2 D．CO2的量多于B处

分析：经过NaOH溶液后，B处没有CO2，浓度为零；叶绿体不断消耗CO₂认为其浓度极低接近为零；只有线粒体进行呼吸产生CO₂，认为其浓度极高。现在CO₂的浓度差情况是这样的：线粒体处的CO₂浓度与B处”空气“ 的CO₂浓度差和线粒体处的CO₂浓度与叶绿体处的CO₂浓度差相等。根据影响自由扩散的因素可知，线粒体产生的CO₂扩散进入叶绿体和扩散进入空气的几率是一样的，进入空气的CO₂随气流就到了D处，结果就是D处有CO₂而B处无CO₂，由于叶肉细胞释放出CO₂，也可分析出D处O₂浓度少于B处。

参考答案：D

立足基础，从自由扩散的基本概念与实质入手是解决光下气体转移问题的关键，也是学生学好理科知识的关键。