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生物体需要持续的能量输入来维持细胞和有机体的功能，例如生长、修复、运动、防御和繁殖。细胞只能使用化学能来为其功能提供燃料，因此它们需要从生物分子的化学键（如糖和脂质）中收集能量。自养生物，即植物、藻类以及光合和化学合成细菌，通过利用来自环境的能量（例如光合作用过程中的阳光）将无机材料转化为此类生物分子。异养生物无法从无机材料中合成高能生物分子，因此它们通过消耗其他生物产生的碳化合物（主要来自自养生物）来获取能量。当需要能量时，碳化合物的化学键被打破以收集储存在这些键中的能量。从生物分子中收集能量的过程称为细胞呼吸。
细胞呼吸发生在自养和异养生物体中，其中能量最常见的是通过将二磷酸腺苷 （ADP） 转化为三磷酸腺苷 （ATP） 而为生物体所用。细胞呼吸有两种主要类型——有氧呼吸和无氧呼吸。有氧呼吸是一种特殊类型的细胞呼吸，其中需要氧气 （O2） 来产生 ATP。在这种情况下，葡萄糖 （C6H12O6） 可以在一系列酶促反应中被完全氧化，产生二氧化碳 （CO2） 和水 （H2O）。
有氧呼吸分为三个阶段。一种称为糖酵解的过程将葡萄糖分解成两个称为丙酮酸的三碳分子。这个过程会释放能量，其中一些会转移到 ATP。接下来，丙酮酸分子进入线粒体，参与一系列称为克雷布斯循环（也称为柠檬酸循环）的反应。这完成了葡萄糖的分解，将一些能量收集到 ATP 中并将电子转移到载体分子上。在最后阶段，称为氧化磷酸化，电子通过线粒体内膜中的电子传输系统，该系统保持氢离子的梯度。细胞利用这种质子梯度的能量在有氧呼吸过程中产生大部分 ATP。
有氧呼吸需要氧气，但是，有许多生物生活在氧气不易获得或其他化学物质压倒环境的地方。极端微生物是可以生活在深海热液喷口或水下洞穴等地方的细菌。这些生物不是使用氧气进行细胞呼吸，而是使用硝酸盐或硫等无机受体，这些受体在这些恶劣环境中更容易获得。这个过程称为无氧呼吸。
当没有氧气且细胞呼吸无法发生时，会发生一种称为发酵的特殊无氧呼吸。发酵从糖酵解开始，将葡萄糖中储存的一些能量捕获到 ATP 中。然而，由于没有发生氧化磷酸化，发酵产生的 ATP 分子比有氧呼吸产生的 ATP 分子少。在人类中，发酵发生在缺乏线粒体的红细胞中，以及在剧烈活动中产生乳酸作为副产物的肌肉中，因此被称为乳酸发酵。一些细菌进行乳酸发酵，用于制造酸奶等产品。在酵母中，一种称为酒精发酵的过程会产生乙醇和二氧化碳作为副产品，并被人类用于发酵饮料或发酵面团。
细胞呼吸与光合作用是能量和物质转移的一个特征，突出了生物体与其环境以及群落中其他生物体的相互作用。细胞呼吸发生在单个细胞内部，然而，在生态系统的规模上，通过光合作用和细胞呼吸作用进行氧气和二氧化碳的交换会影响大气中的氧气和二氧化碳水平。
有趣的是，细胞呼吸和光合作用的过程彼此直接相反，其中一个反应的产物是另一个反应的反应物。光合作用产生葡萄糖，用于细胞呼吸以制造 ATP。然后，这种葡萄糖在呼吸过程中被转化回 CO2，这是一种用于光合作用的反应物。更具体地说，光合作用通过从阳光中捕获能量并从六个 CO2 和六个 H2O 分子构建一个葡萄糖分子，并释放出六个 O2 分子作为副产品。细胞呼吸使用 6 个 O2 分子将一个葡萄糖分子转化为 6 个 CO2 和 6 个 H2O 分子，同时利用 ATP 和热量等能量。
科学家可以通过评估氧气交换率来使用呼吸计测量细胞呼吸的速率。了解理想气体定律对于了解呼吸计的工作原理至关重要。理想气体定律指出，容器中的气体分子数量可以通过压力、体积和温度来确定。更具体地说，气体体积和压力的乘积等于气体分子数、理想气体常数和气体温度的乘积。呼吸计含有氢氧化钾，氢氧化钾可将呼吸作用产生的二氧化碳以固体形式捕获为碳酸钾。当细胞消耗氧气时，呼吸计系统中的气体体积会减少，而没有二氧化碳来增加氧气，从而使科学家能够使用理想气体方程计算氧气的使用量。
细胞呼吸是为生物体创造可用能量的重要过程，因此，研究它得到改善或阻碍的环境不仅有趣，而且是必要的。特别是，线粒体对于细胞呼吸至关重要，任何影响线粒体健康的状况都会对生物体的健康产生巨大影响。例如，线粒体肌病是一组由线粒体损伤引起的神经肌肉疾病，主要影响神经和肌肉细胞，这些细胞需要高水平的能量才能发挥作用1。此外，许多毒物通过抑制细胞呼吸起作用。例如，氰化物通过氧化磷酸化抑制 ATP 的产生，因此了解氰化物或其他代谢毒物的机制有助于治疗暴露于它们的个体2。同样，某些药物，如某些抗生素、化疗药物、他汀类药物和麻醉剂，也会干扰线粒体功能，可能不适合治疗患有线粒体疾病的患者3。
所有有生命的生物都需要能源来为其活动提供动力。归根结底，这种能源是太阳。那么，地球上的生物是如何利用这种能量的呢？这一切都始于光合作用。这些生物能够吸收二氧化碳和水，然后利用从太阳捕获的能量作为光子将这些分子推到一起，产生葡萄糖和氧气。葡萄糖是下一个关键步骤的关键，几乎所有生物体都以一种或另一种形式使用这一步骤——细胞呼吸。细胞呼吸由酶进行，无论是在原核生物的细胞膜中还是在真核生物的线粒体中。
化学反应首先使用氧气分解葡萄糖，再次产生二氧化碳和水，但在此过程中，最初用于制造葡萄糖分子的能量流向了两个新的地方。一种是合成 ATP 或三磷酸腺苷分子，这是一种细胞可以轻松使用的能源。其余的以热量的形式流失。到目前为止，我们一直在谈论一种使用氧气的细胞呼吸，这被称为有氧呼吸，但一些生物体和细胞能够在没有氧气的情况下进行呼吸。这称为无氧呼吸。这个过程不会产生二氧化碳和水，而是将乙醇作为副产品。发酵就是这种呼吸作用的一个例子。这就是酵母能够在密封容器中产生酒精的方式。我们可以使用一种称为呼吸计的工具来测量有氧呼吸。很简单，该设备测量生物体使用的氧气量，在这种情况下，植物种子发芽。发芽的种子正在呼吸，这意味着我们可以预期它们会耗尽氧气并释放二氧化碳。它们还没有绿色部分，所以它们没有进行光合作用。
在呼吸计中测量呼吸使用一种基于理想气体定律的巧妙方法，P 乘以 V 等于 n 乘以 R 乘以 T。V 是气体的体积。n 是存在的气体摩尔数。R 是理想气体常数，T 是绝对温度。简单地说，这意味着您可以通过测量样品的体积来计算出样品中存在多少个气体分子，前提是您知道压力和温度，因为 R 是一个常数。
呼吸计含有氢氧化钾，氢氧化钾以碳酸钾的形式捕获固体形式的二氧化碳。因此，由于细胞呼吸作用，密封管中的氧气被种子耗尽，它们释放出二氧化碳，而二氧化碳又被捕获为碳酸钾。因此，随着细胞呼吸的进行，系统内的气体总量减少。我们可以通过将呼吸计连接到称为压力计的设备上来量化这一点。在这里，随着氧分子的消耗，呼吸计腔室内的压力下降，微小毛细管内的有色液体被拉向压力降低的方向。然后，我们可以通过读取压力计水平上的值来估计呼吸计管中剩余的气体量。这种多功能系统可以设置许多不同的变量，例如不同的温度，并可用于测试许多不同类型的生物体的呼吸速率。
在本实验中，您将使用呼吸计和压力计来测量发芽种子的呼吸速率。
