气体交换
爱德思国际普通中等教育证书（IGCSE）生物· 2.40B–2.50· 25 分钟阅读
1. 开花植物的气体交换（仅生物卷2考查）★★☆☆☆B 专属⏱ 6 min
气体交换中的扩散作用
气体分子从高浓度区域向低浓度区域发生的被动净移动，是植物和人体所有气体交换过程的驱动力。
植物的气体交换依赖于叶片与大气之间的CO₂和O₂的扩散。扩散的方向取决于光合作用和呼吸作用哪一个的速率更快。叶片拥有高度特化的结构，可最大化扩散速率，实现高效的气体交换。
解释为什么将叶片放在黑暗橱柜中24小时后，会有二氧化碳的净释放。
- 1
- 牢记所有活的叶细胞中呼吸作用全天24小时进行，该过程会产生作为代谢废物的CO₂，为生命活动释放能量。
- 2
- 光合作用需要光能，因此当叶片处于持续黑暗环境中时，光合作用会完全停止。
- 3
- 由于此时仅发生呼吸作用，CO₂的生成速率高于其消耗速率，因此叶片会向周围空气中净释放CO₂。
Thin, flat shape: large surface area for gas exchange, short diffusion distance
Air spaces in spongy mesophyll: allow gases to circulate freely around mesophyll cells
Stomata on lower leaf surface: pores controlled by guard cells that regulate gas entry and exit
Which of the following is NOT an adaptation of leaves for gas exchange?
Thin flat shape
Air spaces in spongy mesophyll
Waxy cuticle on upper surface
Large number of stomata on lower surface
显示答案
Waxy cuticle on upper surface —The waxy cuticle reduces water loss from the leaf surface, it does not support gas exchange.
2. 植物的净气体交换（仅生物卷2考查）★★★☆☆B 专属⏱ 5 min
净气体交换描述了气体移动的总体方向，计算方式为呼吸作用产生的气体量与光合作用消耗的气体量的差值（反之亦然）。这是考试中常见的区分度题目考点。
补偿点
植物的光合作用速率与呼吸作用速率相等，不存在氧气或二氧化碳净交换的光照强度。
将一株植物置于弱光环境的房间中，已知其光合作用速率为每分钟消耗1.2 µmol CO₂，呼吸作用速率为每分钟生成1.8 µmol CO₂。请说明该植物的CO₂净气体交换情况并给出解释。
- 1
- 比较两种速率：呼吸速率（1.8 µmol/分钟）大于光合速率（1.2 µmol/分钟）。
- 2
- 3
- 由于呼吸作用产生的CO₂多于光合作用消耗的CO₂，植物会向大气净释放CO₂。
3. 必修实验：光照对植物气体交换的影响（仅生物学内容，试卷2）★★☆☆☆B 专属⏱ 4 min
本实验使用碳酸氢盐指示剂测量不同光照条件下叶片周围的CO₂浓度变化。该指示剂的变色规律如下：红色=大气正常CO₂浓度，黄色=CO₂浓度偏高，紫色=CO₂浓度偏低。
准备三支完全相同的试管，各加入10 cm³红色碳酸氢盐指示剂和一片健康叶片。试管1置于强光下，试管2用铝箔包裹（黑暗环境），试管3用防油纸包裹（弱光环境，处于光补偿点）。请说明1小时后每支试管中指示剂的颜色。
- 1
- 试管1（强光下）：光合速率>呼吸速率，因此空气中的CO₂被消耗，指示剂变为紫色。
- 2
- 试管2（黑暗下）：无光合作用，仅发生呼吸作用，因此空气中的CO₂含量上升，指示剂变为黄色。
- 3
- 试管3（光补偿点）：光合速率=呼吸速率，因此CO₂浓度保持不变，指示剂仍为红色。
4. 人体胸廓结构与通气机制（核心内容，所有试卷）★★★☆☆⏱ 6 min
✓ 计算器
肺通气
空气进出肺部的物理过程（即呼吸），用于维持肺泡处气体交换所需的高浓度梯度。
胸廓（胸腔）由肋骨笼保护，内部包含肺、气管、支气管、细支气管、肺泡、肋骨之间的肋间肌、肺下方的肌肉层（膈肌），以及覆盖胸廓内壁、润滑肺部以减少呼吸时摩擦的胸膜。
描述并解释呼气（呼出气体）的过程。
- 1
肋间肌舒张，因此肋骨向下向内运动。静息状态下呼气是被动过程——由肺部和肋骨笼的弹性回缩驱动，而非肌肉收缩驱动。
- 2
- 膈肌舒张，向上恢复为穹顶状。
- 3
- 这两组运动使胸腔的总容积减小。
- 4
- 容积减小导致胸腔内的气压升高，高于外界大气压。
- 5
- 空气沿压力梯度流出肺部。
Which of the following happens during inspiration?
Diaphragm relaxes, moves upwards
Thorax volume decreases, pressure increases
Intercostal muscles contract, ribs move up and out
Air moves out of the lungs down a pressure gradient
显示答案
Intercostal muscles contract, ribs move up and out —During inspiration, intercostal muscles contract to increase thorax volume, reducing pressure so air moves in down the pressure gradient.
5. 肺泡的适应性特征与吸烟的危害（核心内容，所有试卷）★★☆☆☆⏱ 4 min
肺泡是肺部的微小气囊，是肺部空气与周围毛细血管血液之间发生气体交换的场所。肺泡高度特化，可实现氧气和二氧化碳的快速高效扩散。
Structure | Function for gas exchange |
|---|---|
Large surface area (millions of alveoli) | Maximises area available for gas diffusion |
Thin walls (one cell thick) | Reduces diffusion distance for gases |
Moist lining | Allows oxygen and carbon dioxide to dissolve before diffusing |
Dense capillary network | Maintains steep concentration gradient by bringing deoxygenated blood and removing oxygenated blood |
Constant ventilation | Replenishes oxygen and removes carbon dioxide to maintain concentration gradients |
解释吸烟如何提升患冠心病（CHD，一种循环系统疾病）的风险。
- 1
- 香烟烟雾中含有一氧化碳，它会与红细胞中的血红蛋白发生不可逆结合，降低红细胞的携氧能力。
- 2
- 香烟烟雾中的尼古丁会提升心率和血压，对动脉壁造成损伤。
- 3
- 冠状动脉壁的损伤会增加脂肪斑块堆积的风险，斑块可能堵塞动脉，切断心肌的氧气供应，引发心脏病发作。
6. 必修实验：探究人体呼吸作用（核心内容，所有试卷）★★☆☆☆⏱ 3 min
本实验测量人体呼吸的两个核心特征：呼出空气中的CO₂释放量（可使用澄清石灰水检测，CO₂浓度高时石灰水变浑浊，也可使用碳酸氢盐指示剂），以及运动对呼吸频率的影响。
一名学生测得自己静息状态下的呼吸频率为每分钟12次。跑步5分钟后，呼吸频率升至每分钟28次。解释为什么运动后呼吸频率会上升。
- 1
- 运动过程中，肌肉细胞的呼吸作用速率加快，以释放更多能量供收缩使用，同时产生更多CO₂作为代谢废物。
- 2
- 血液中升高的CO₂浓度被大脑检测到，大脑会触发更快的呼吸，以排出多余的CO₂，同时摄入更多氧气用于有氧呼吸。
- 3
- 更高的呼吸频率可维持肺泡处气体交换的高浓度梯度，满足运动肌肉对氧气的需求增长。
7. 常见陷阱
错误做法:
Stating that plants only respire at night
原因:
Respiration is a continuous process required for all living cells to release energy for life processes, it occurs 24 hours a day.
正确做法:
Always explicitly state that respiration occurs day and night, while photosynthesis only occurs when light is available.
错误做法:
Describing the diaphragm as 'pulling air into the lungs' during inspiration
原因:
Air movement is driven by pressure gradients, not active pulling by the diaphragm.
正确做法:
Explain that diaphragm contraction increases thorax volume, reducing pressure below atmospheric, so air moves in down the pressure gradient.
错误做法:
Listing alveoli structures without linking them to their function
原因:
Mark schemes require explicit structure-function links for adaptation questions, not just a list of structures.
正确做法:
For each adaptation, state how it supports efficient gas exchange e.g. 'thin one-cell thick walls reduce diffusion distance'.
错误做法:
Only listing respiratory effects of smoking when asked for biological consequences
原因:
The specification requires you to cover both respiratory and circulatory system effects of smoking.
正确做法:
Always include both lung effects (cancer, bronchitis, emphysema) and circulatory effects (carbon monoxide reducing oxygen transport, nicotine increasing CHD risk).
错误做法:
Stating hydrogencarbonate indicator turns blue when CO₂ levels are low
原因:
Edexcel mark schemes only accept three specified colours for hydrogencarbonate indicator.
正确做法:
Use only red (normal CO₂), yellow (high CO₂), and purple (low CO₂) in exam answers.
8. 速查表
Concept | Key Exam Facts |
|---|---|
Plant Gas Exchange (Paper 2 only) | Relies on diffusion; stomata control gas entry/exit; leaf adaptations: large SA, thin, air spaces, stomata |
Net Gas Exchange | Respiration = 24/7; photosynthesis = light only; compensation point = rates equal, no net exchange |
Hydrogencarbonate Indicator | Red = normal CO₂; yellow = high CO₂; purple = low CO₂ |
Ventilation (Inspiration) | Intercostals + diaphragm contract → thorax volume ↑ → pressure ↓ → air in |
Ventilation (Expiration) | Intercostals + diaphragm relax → thorax volume ↓ → pressure ↑ → air out |
Alveoli Adaptations | Large SA, thin walls, moist, good blood supply, ventilation to maintain gradients |
Smoking Effects | Lungs: cancer, bronchitis, emphysema; Circulatory: CO reduces O₂ transport, nicotine raises CHD risk |
9. 常见问题
植物细胞的呼吸作用在何时进行？
所有活的植物细胞中，呼吸作用全天24小时（昼夜不间断）进行，为生命活动释放能量。光合作用仅在有光照的条件下发生，因此净气体交换会随光照强度发生变化。
吸气过程中胸廓内的压力会发生什么变化？
吸气时，肋间肌收缩，横膈膜趋于平坦，胸廓容积增大。这会使胸廓内部的压力降至大气压以下，因此空气会沿压力梯度流入肺部。
二氧化碳浓度较高时，碳酸氢盐指示剂会呈现什么颜色？
当CO₂浓度高于大气水平时（例如仅发生呼吸作用、无光合作用的场景），碳酸氢盐指示剂会变为黄色。处于正常大气CO₂浓度下时指示剂为红色，当CO₂水平低于大气浓度时指示剂为紫色。
深入阅读
- syllabus爱德思4BI1 2017年考试大纲参考大纲2.40B–2.50章节
- practical guide爱德思IGCSE生物必修实验
下一步
Now that you have mastered gas exchange, you can move on to related topics that build on this content. Next, study transport in animals to understand how oxygen is carried around the body after gas exchange at the alveoli, and transport in plants to learn how water and gases move through plant tissues. You should also revise the required practicals for this topic, as they are frequently tested in both Paper 1 and Paper 2 of the Edexcel IGCSE Biology exam. Finally, link the smoking effects content to cardiovascular disease risk factors to consolidate your knowledge of non-communicable diseases.