# 呼吸速率的测量

> CIE A-Level 生物学 · 9700 A2
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u13-measurement-of-respiration-rate/

本子主题涵盖有氧呼吸速率的测量实验方法、结果计算、误差分析，以及CIE A-Level生物学实操和理论题的考试要求。

**先修:** [有氧呼吸概述](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u13-aerobic-respiration/); [生物的气体交换](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u11-gas-exchange/)

## 学习目标

- 描述测量有氧呼吸速率的常用实验方法
- 从实验数据计算呼吸速率
- 识别呼吸测量实验中的误差来源和控制变量
- 解释二氧化碳吸收剂在呼吸测量法中的作用

## 简易测压式呼吸测量法

**简易测压式呼吸计** — 一种密闭装置，通过测量气体体积变化来计算有氧呼吸过程中的耗氧速率

*例:* 通常用于小型生物，如萌发种子或陆生无脊椎动物

在该装置中，生物被放置在密封的反应室内，连接到一根含有液泡的毛细管。反应室内加入一瓶氢氧化钾（KOH）或碱石灰，吸收呼吸过程中释放的所有二氧化碳。液泡向反应室方向的任何移动都是由生物消耗氧气导致的。

**例题:** 一名学生测量10粒萌发豌豆种子的呼吸作用。毛细管中的液泡在6分钟内向反应室移动了15 mm。毛细管直径为1.0 mm。计算耗氧速率，单位为mm³ min⁻¹。

1. 计算毛细管的半径和横截面积：
2. $$r = \frac{d}{2} = 0.5 \text{ mm}, A = \pi r^2 = \pi \times 0.5^2 = 0.785 \text{ mm}^2$$
3. 计算消耗氧气的总体积：
4. $$\text{Volume} = \text{Area} \times \text{Distance} = 0.785 \times 15 = 11.775 \text{ mm}^3$$
5. 计算每分钟的速率：
6. $$\text{Rate} = \frac{11.775}{6} = 1.96 \text{ mm}^3 \text{min}^{-1}$$

> **考试提示:** CIE考官 always 要求速率计算带上单位；漏写单位会失分。

## 氧电极呼吸测量法（水生生物）

**氧电极呼吸测量法** — 一种通过测量溶解氧浓度随时间的变化，计算水生生物或细胞悬浮液呼吸速率的数字方法

*例:* 用于鱼类、藻类或水生无脊椎动物

该方法直接测量水中的溶解氧浓度，因此不需要二氧化碳吸收剂。通过测量已知时间段内氧气浓度的变化，再按生物质量和时间换算，即可计算出呼吸速率。

**例题:** 一名研究人员测量1 dm³水中25 g淡水虾的呼吸速率。初始氧气浓度为7.8 mg dm⁻³。15分钟后，浓度为4.8 mg dm⁻³。计算呼吸速率，单位为mg O₂ g⁻¹ hour⁻¹。

1. 计算氧气的总变化量：
2. $$\Delta O_2 = 7.8 - 4.8 = 3.0 \text{ mg dm}^{-3} \times 1 \text{ dm}^3 = 3.0 \text{ mg}$$
3. 将时间转换为小时：15分钟 = 0.25小时
4. 计算每克组织的呼吸速率：
5. $$\text{Rate} = \frac{3.0}{25 \times 0.25} = 0.48 \text{ mg O}_2 \text{ g}^{-1} \text{hour}^{-1}$$

> **tip**
>
> 开始测量前，一定要让氧电极与水温平衡。氧气溶解度随温度升高而降低，因此未校准温度会导致结果不准确。

## 变量、误差与控制

CIE考试经常要求识别呼吸实验中的控制变量和误差来源。所有实验都必须控制可能影响呼吸速率或气体测量的变量。

- **温度**：使用水浴维持恒定，因为温度会影响酶活性和气体溶解度
- **生物质量**：使用干重在不同组之间比较，因为水不进行呼吸作用
- **二氧化碳吸收剂体积**：使用过量吸收剂确保所有CO₂都被吸收
- **大气压**：正确密封装置，防止压力变化影响结果

**概念自测**

测试你对关键装置要求的理解：

1. 以下哪一项是简单呼吸计中KOH的正确功能？

   - 吸收多余氧气
   - 吸收呼吸作用产生的二氧化碳
   - 维持恒定温度
   - 杀死不需要的微生物

   *解析:* 如果CO₂不被吸收，产生的CO₂体积会抵消氧气消耗带来的体积变化，因此无法测量到液泡的净移动。

## 常见错误

- **错误做法:** 组装好装置后立即开始测量
  - 原因: 装置还未与水浴温度平衡，温度相关的气体体积变化会扭曲结果
  - 正确做法: 打开活塞，让装置平衡5-10分钟后再开始计时和测量
- **错误做法:** 将速率报告为每分钟移动的距离而非体积
  - 原因: 毛细管直径不同，因此仅距离不是气体体积的标准测量值
  - 正确做法: 计算速率前，一定要先根据毛细管横截面积计算体积
- **错误做法:** 比较不同组呼吸速率时使用生物湿重
  - 原因: 组织中的水分不进行呼吸作用，因此不同样品之间的比较无效
  - 正确做法: 使用组织干重来标准化呼吸速率计算，以便进行比较
- **错误做法:** 不设置死亡生物的对照组
  - 原因: 大气压或温度的微小变化会导致与呼吸无关的液泡移动
  - 正确做法: 设置使用相同总质量杀死生物的对照组，从实验结果中减去背景移动量

## 速查表

| 组件 | 功能 | 核心公式 |
| --- | --- | --- |
| 简易呼吸计 | 通过气体体积变化测量耗氧量 | $\text{Rate} = \frac{\pi r^2 \times \text{distance}}{\text{time}}$ |
| KOH / 碱石灰 | 吸收CO₂以单独测量耗氧量 | 无 |
| 氧电极 | 测量溶解氧变化 | $\text{Rate} = \frac{\Delta [O_2] \times \text{volume}}{\text{mass} \times \text{time}}$ |
| 死亡生物对照组 | 扣除非呼吸作用导致的气体变化 | $\text{Corrected rate} = \text{measured rate} - \text{control rate}$ |

## 下一步

掌握呼吸速率测量是CIE A-Level生物学的核心实操技能，经常在3号卷（实操）和5号卷（实验设计/数据分析）中考查。本子主题建立在你对有氧呼吸途径和气体交换的理解之上，是计算呼吸商、研究温度、底物、氧气浓度等不同因素如何影响呼吸速率的基础。你在这里学习的实验设计技巧也能帮助你回答整个A-Level大纲中其他的实操设计问题。

- [光合作用](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u14-overview/)
- [光合色素](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u14-photosynthetic-pigments/)
- [光反应](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u14-light-dependent-reactions/)

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来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u13-measurement-of-respiration-rate/