2023版高考生物一轮总复习第3单元细胞的能量供应和利用第4讲光合作用与细胞呼吸的综合分析提升课课件

第4讲　光合作用与细胞呼吸的综合分析(提升课)重 难 探 究 · 素 养 达 标光合作用与细胞呼吸的关系1．NADPH、[H]、ATP的来源和去路比较[深度讲解]2．光合作用速率与细胞呼吸速率(1)呼吸速率的测定方法：将植物置于黑暗环境中或非绿色组织，测定实验容器内CO2增加量、O2减少量或有机物减少量。(2)净光合速率和真正光合速率。①净光合速率：常用一定时间内O2释放量、CO2吸收量或有机物积累量表示。②真正光合速率：常用一定时间内O2产生量、CO2固定量或有机物产生量表示。(3)光合速率与呼吸速率的关系：真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。若用O2、CO2或葡萄糖的量表示可得到以下关系式：①光合作用产氧量＝氧气释放量＋细胞呼吸耗氧量。②光合作用固定CO2量＝CO2吸收量＋细胞呼吸释放CO2量。③光合作用葡萄糖产生量＝葡萄糖积累量(增重部分)＋细胞呼吸消耗葡萄糖量。(4)曲线各点(段)光合作用和呼吸作用分析。3．有机物含量变化曲线及密闭环境中一昼夜CO2含量的变化曲线(1)绿色植物24 h内有机物的“制造”“消耗”与“积累”典型图示：曲线解读：①积累有机物时间段：ce段。②制造有机物时间段：bf段。③消耗有机物时间段：Og段。④一天中有机物积累最多的时间点：e点。⑤一昼夜有机物的积累量：SP－SM－SN(SP、SM、SN分别表示P、M、N的面积)。(2)在相对密闭的环境中，一昼夜CO2含量的变化曲线图和O2含量的变化曲线图的比较。 光合速率与呼吸速率的关系(1)图1中干物质量与光合作用实际量、呼吸量有什么关系？(2)图2 虚线表示什么？与光合速率和呼吸速率有什么关系？(3)图2虚线在20 ℃的最大值表示什么？【答案】(1)提示：干物质量＝光合作用实际量－呼吸量。　(2)提示：净光合速率；净光合速率＝真正光合速率－呼吸速率。　(3)提示：净光合速率在20 ℃时最大。(一)光合作用与细胞呼吸的物质和能量变化(素养目标：科学思维)1．下图表示高等植物体内某些生理过程。[考向预测]据图分析，下列说法不正确的是 (　　)A．Ⅰ阶段生成ATP和NADPH所需要的能量可以是光能也可以是化学能B．③和④过程进行的场所分别是叶绿体基质和细胞质基质C．Ⅰ、Ⅱ阶段所示的过程是生态系统赖以维持的重要基础D．④、⑤过程可发生在同一个体不同部位的组织细胞中【答案】A　【解析】高等植物体内，Ⅰ阶段(光反应)生成ATP和NADPH所需要的能量来自光能，A错误；③过程是暗反应，④过程是无氧呼吸，进行的场所分别是叶绿体基质和细胞质基质，B正确；Ⅰ(光反应)、Ⅱ阶段(暗反应)所示的过程是光合作用，可以将无机物转化为有机物，是生态系统赖以维持的重要基础，C正确；④(无氧呼吸)、⑤(有氧呼吸)过程可发生在同一个体不同部位的组织细胞中，如植物某些细胞可以进行有氧呼吸，某些细胞可以进行无氧呼吸，D正确。(二)光合作用与细胞呼吸综合曲线分析(素养目标：科学思维)2．为探究环境条件对幼苗光合作用的影响，某学者将同品种燕麦幼苗均分为甲、乙两组，一组培养在CO2浓度始终保持在300 μL·L－1的气候室中，另一组培养在CO2浓度始终保持在800 μL·L－1的气候室中。在相同且适宜的温度等条件下，测定两组幼苗净光合速率随光照强度的变化，如图所示。请回答：(1)光照强度为a klx时，甲组幼苗叶肉细胞中能合成ATP的生物膜结构有__________________________；光照强度大于a klx时，限制乙组光合作用的环境因素主要是________________________________。(2)CO2浓度为800 μL·L－1的气候室中，幼苗净光合速率随光照强度的变化是图中的________(填“甲”或“乙”)曲线，作出此判断的理由是__________________________。(3)实验发现，与乙组相比，甲组所产生的种子粒大饱满；甲组所产生的种子萌发后，将其幼苗按照乙组的条件进行培养，再产生的种子与乙组的相同。对上述实验现象最合理的解释是__________________。【答案】(1)叶绿体类囊体膜与线粒体内膜　CO2浓度(2)甲　图中相同光照强度和温度等条件下，甲的净光合速率大于乙的，这与环境中CO2浓度的升高有利于幼苗吸收CO2进行光合作用的观点相吻合(3)与乙组的种子相比，甲组所产生的种子粒大饱满是由环境中CO2浓度高导致光合作用强引起的，而非遗传物质不同造成的【解析】(1)植物细胞通过光合作用与细胞呼吸产生ATP，合成ATP的场所有叶绿体类囊体膜、细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜。光照强度为a klx时，幼苗叶肉细胞中能合成ATP的生物膜结构有叶绿体类囊体膜和线粒体内膜。光照强度小于a klx时，限制乙组光合作用的环境因素主要是光照强度；光照强度大于a klx时，限制乙组光合作用的环境因素主要是CO2浓度。(2)通常情况下，环境中CO2浓度的升高有利于幼苗吸收与固定CO2，从而使幼苗光合作用速率加快。在相同的温度和光照强度等条件下，图中甲与乙的呼吸速率相同，而甲的净光合速率高于乙，故甲曲线表示CO2浓度为800 μL·L－1的气候室中的幼苗的净光合速率随光照强度的变化。(3)甲组所产生的种子萌发后，将其幼苗按照乙组的条件进行培养，再产生的种子与乙组的相同。该事实表明种子的粒大饱满不属于可遗传的变异，是环境条件(环境中CO2浓度)影响了植物的表现型，而非遗传物质改变导致的。总光合速率、净光合速率、呼吸速率测定的6种实验模型1．气体体积变化法——测定气体的变化量[深度讲解](1)甲装置在黑暗条件下植物只进行细胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，因此单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的O2吸收速率，可代表有氧呼吸速率。(2)乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。(3)总光合速率＝净光合速率＋有氧呼吸速率。(4)物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。2．叶圆片称重法——测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量(1)操作图示。(2)结果分析。净光合速率＝(z－y)/2S(S为叶圆片面积，下同)；呼吸速率＝(x－y)/2S；总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。3．半叶法——测定光合作用有机物制造量本方法又称半叶称重法。即检测单位时间、单位面积干物质制造量(或积累量)。在测定时，叶片一半遮光，一半曝光，分别测定两半叶的干物质重量。进而计算叶片的真正(或净)光合速率和呼吸速率。测定方法：将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法(可先在叶柄基部用热水或热石蜡烫伤或用呼吸抑制剂处理)阻止两部分间物质转移。若在适宜光照下照射t h，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，则(MB－MA)表示该时间段内，相应面积的叶片有机物的制造量。4．黑白瓶法——测定水生植物的光合速率测定方法：将装有水和水生植物的黑、白瓶置于相同水层中，测定单位时间内瓶中溶氧量的变化，借此测定水生植物的光合速率。黑瓶不透光，瓶中生物仅能进行呼吸作用，溶氧量变化代表呼吸作用耗氧量，白瓶透光，瓶中生物能进行光合作用和呼吸作用。溶氧量变化代表净光合作用放氧量。因此，真正光合作用量(总光合作用量)＝白瓶中氧气增加量(净光合作用量)＋黑瓶中氧气减少量(呼吸作用量)。5．间隔光照法——比较有机物的合成量测定方法：光反应和暗反应在不同的酶的催化作用下相对独立进行。在一般情况下，光反应的速率比暗反应的速率快得多，光反应产生的ATP和NADPH除满足暗反应正常利用外，还有一定量的剩余。持续光照，光反应产生的大量ATP和NADPH不能及时被完全利用，暗反应限制了光合作用的速率，降低了光能的利用率。但若光照、黑暗交替进行，则黑暗间隔可利用光照时积累的光反应产物，再持续进行一段时间的暗反应。因此，在光照强度与光照时间不变的情况下，交替光照较连续光照条件下制造的有机物多。6．叶圆片上浮法——定性比较光合作用强度的大小测定方法：取生长旺盛的菠菜绿色叶片，注意避开大的叶脉，用直径为1 cm的打孔器打出小圆形叶片若干。处理小圆形叶片，使叶片内的气体逸出，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。叶片因细胞间隙充满水而全都沉到水底。本实验可通过观察相同时间内叶片上浮数量的多少或上浮相同数量叶片所用时间的长短来反映不同条件下光合作用强度的大小。该实验方法只能比较大小，无法测出具体的光合作用强度。总光合速率、净光合速率、呼吸速率测定的6种实验模型(素养目标：科学探究)1．某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合速率，做如图所示实验：[考向预测]在叶柄基部做环剥处理(仅限制叶片有机物的输入和输出)，并于不同时间分别在同一叶片上陆续取下面积为1 cm2的叶圆片烘干后称其重量，测得叶片叶绿体的总光合速率是(3y－2z－x)/6(g·cm－2·h－1)(不考虑取叶圆片后对叶片生理活动的影响和温度微小变化对叶片生理活动的影响)，则M处的实验条件是 (　　)A．下午4时后在阳光下照射3小时再遮光3小时B．下午4时后将整个实验装置遮光6小时C．下午4时后在阳光下照射6小时D．下午4时后将整个实验装置遮光3小时【答案】D　【解析】依据选项，逆向推导，符合题干信息的就为正确选项。依题意，总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，净光合作用速率为(y－x)/6(g·cm－2·h－1)，还需测定呼吸速率，所以遮光3小时，呼吸速率为(y－z)/3(g·cm－2·h－1)，光合作用速率＝(y－x)/6＋(y－z)/3＝(3y－2z－x)/6(g·cm－2·h－1)。2．取生长旺盛的绿叶，利用打孔器打出一批直径为1 cm的叶圆片，将叶圆片细胞间隙中的气体排出后，平均分装到盛有等量的不同浓度NaHCO3溶液的培养皿底部，置于光温恒定且适宜的条件下(如图甲)，测得各组培养皿中叶圆片上浮至液面所用的时间(如图乙)。下列分析错误的是 (　　)A．A～B段随着NaHCO3溶液浓度的增加，类囊体薄膜上水的分解速率逐渐增大B．C～D段随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶绿体基质中C3的生成速率逐渐减小C．C～D段随着NaHCO3溶液浓度的增加，单个叶圆片有机物的积累速率逐渐减小D．A～D段如果增加光照强度或温度，都能明显缩短叶圆片上浮至液面所用的时间【答案】D　【解析】A～B段随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶圆片上浮至液面所用的时间不断缩短，说明氧气生成速率不断提高，因此类囊体薄膜上水的分解速率逐渐增加，A正确；C～D段随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶圆片上浮至液面所用的时间不断延长，说明氧气生成速率在降低，即光合速率减弱，因此叶绿体基质中C3的生成速率逐渐减弱，B正确；细胞氧气的净释放就表示有机物的积累，C～D段叶圆片上浮至液面所用的时间不断延长，说明氧气释放速率在降低，即表示单个叶圆片有机物的积累速率逐渐减小，C正确；题中提出“装置置于光温恒定且适宜的条件下”，因此此时如果增加光照强度或温度，都会使光合速率降低，导致叶圆片上浮至液面的时间延长，D错误。3．(2019年全国Ⅱ卷节选)回答下列与生态系统相关的问题。通常，对于一个水生生态系统来说，可根据水体中含氧量的变化计算出生态系统中浮游植物的总初级生产量(生产者所制造的有机物总量)。若要测定某一水生生态系统中浮游植物的总初级生产量，可在该水生生态系统中的某一水深处取水样，将水样分成三等份，一份直接测定O2含量(A)；另两份分别装入不透光(甲)和透光(乙)的两个玻璃瓶中，密闭后放回取样处，若干小时后测定甲瓶中的O2含量(B)和乙瓶中的O2含量(C)。据此回答下列问题。在甲、乙瓶中生产者呼吸作用相同且瓶中只有生产者的条件下，本实验中C与A的差值表示这段时间内________________；C与B的差值表示这段时间内________________；A与B的差值表示这段时间内__________________。【答案】生产者净光合作用的放氧量　生产者光合作用的总放氧量　生产者呼吸作用的耗氧量【解析】若干小时后，透光的乙瓶中的氧气含量(C)与水样中氧气的初始含量(A)的差值表示这一时间段内生产者净光合作用的放氧量；水样中氧气的初始含量(A)与不透光的甲瓶中的氧气含量(B)的差值表示这一时间段内生产者呼吸作用的耗氧量；C与B的差值表示这一时间段内生产者光合作用的总产氧量。4．某研究小组采用“半叶法”对番茄叶片的光合速率进行测定。将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6小时后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合速率，其单位是mg/(dm2·h)。请分析回答下列问题：(1)MA表示6 h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量；MB表示6 h后__________＋__________________________－呼吸作用有机物的消耗量。(2)若M＝MB－MA，则M表示__________________________。(3)真正光合速率的计算方法是__________________________。(4)本方法也可用于测定叶片的呼吸速率，写出实验设计思路。____________________________。【答案】(1)叶片初始质量　光合作用有机物的总产量　(2)B叶片被截取部分在6 h内光合作用合成的有机物总量　(3)M值除以时间再除以面积，即M/(截取面积×时间)　(4)将从测定叶片的相对应部分切割的等面积叶片分开，一部分立即烘干称重，另一部分在黑暗中保存几小时后再烘干称重，根据二者干重差即可计算出叶片的呼吸速率 【解析】叶片A部分遮光，虽不能进行光合作用，但仍可照常进行呼吸作用。叶片B部分不做处理，既能进行光合作用，又可以进行呼吸作用。分析题意可知，MB表示6 h后叶片初始质量＋光合作用有机物的总产量－呼吸作用有机物的消耗量，MA表示6 h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量，则MB－MA就是光合作用6 h有机物的总产量(B叶片被截取部分在6 h内光合作用合成的有机物总量)。由此可计算真光合速率，即M值除以时间再除以面积。5．(2021年山西祁县中学月考) 如图1表示在不同温度下，测定某植物叶片重量变化情况(均考虑为有机物的重量变化)的操作流程及结果，据图2分析下列说法错误的是 (　　)A．从图分析可知，该植物的呼吸速率可表示为XB．从图分析可知，该植物光合速率可表示为Y＋2XC．恒定在上述14 ℃温度下，维持10小时光照，10小时黑暗，该植物叶片增重最多，增重了30 mgD．在13～16 ℃之间，随着温度的升高，呼吸作用强度增强，实际光合作用强度先增后降【答案】D　【解析】从图分析可知，该植物的呼吸速率可表示为X，A正确；从图分析可知，Y＋X代表净光合速率、Y＋2X代表实际光合速率，B正确；10小时光照，每小时的净光合速率＝Y＋X＝3＋2＝5 mg；10小时黑暗，每小时的有机物减少2 mg，因此该植物叶片增重5×10－2×10＝30 mg，C正确。在13～16 ℃之间，随着温度的升高，呼吸作用强度增强，实际光合作用强度增强，D错误。6．某生物小组利用图甲装置在光合作用最适温度下培养某植株幼苗，通过测定不同时段密闭玻璃罩内幼苗的O2释放速率来测定光合速率，结果如图乙所示。回答下列问题：(1)只在光照条件下并不能测定出植物幼苗的实际光合速率，原因是__________________________。(2)除了坐标中的光合速率的表示方法外，还可以用___________ _______________表示。黑暗条件下测定的是____________速率，在光下测定的是________________速率。(3)适当提高环境温度，则植物幼苗的生长速率__________(填“能”或“不能”)一定降低或升高，原因是_____________________________ _____________________。乙图中t4～t5氧气释放速率迅速增加最可能的原因是__________________________。(4)如果植物幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后再重复该实验，则乙图中t5时刻氧气释放速率会__________。【答案】(1)在光下植物进行光合作用时受细胞呼吸的影响，测定出的是氧气释放速率而不是氧气的实际产生速率　(2)CO2的吸收速率或干物质的积累速率　呼吸　净光合　(3)不能　植物的生长速率取决于净光合速率，25 ℃是光合作用的最适温度，提高环境温度后光合速率会降低，但呼吸速率的最适温度未知，所以不能确定净光合速率的变化趋势　在t4时刻补充了CO2　(4)降低【解析】(1)在光下测定的氧气是光合作用产生的氧气的一部分，有一部分氧气被细胞呼吸所利用，所以只在光下不能测定出实际光合速率。(2)图中氧气的释放速率仅仅是一种表示方法，还可以用CO2的吸收速率或干物质的积累速率表示。黑暗条件下测定的是植物的呼吸速率，在光下测定出的是净光合速率。(3)适当提高温度后，实际光合速率降低，但由于呼吸速率的最适温度是未知的，所以无法确定呼吸速率是升高还是降低，所以也就无法确定光合速率是升高或降低，由于植物的生长速率取决于净光合速率，所以适当提高温度不能确定生长速率一定升高或降低。乙图中t4～t5氧气释放速率迅速增加最可能的原因是在t4时刻补充了CO2，CO2浓度增加使暗反应速率提高，进而使光合速率升高。(4)在缺镁的培养液中培养植物幼苗，叶片中的叶绿素含量降低，植物吸收利用光能的能力降低，导致光合速率降低，所以乙图中t5时刻氧气释放速率会降低。典 题 演 练 · 破 解 高 考1．(不定项)(2020年山东模拟)龙须菜是生活在近岸海域的大型经济藻类，既能给海洋生态系统提供光合产物，又能为人类提供食品原料。某小组研究CO2浓度和光照强度对龙须菜生长的影响，实验结果如下图所示。已知大气CO2浓度约为0.03%，实验过程中温度等其他条件适宜，下列相关说法错误的是 (　　)A．实验中CO2浓度为0.1%的组是对照组B．增加CO2浓度能提高龙须菜的生长速率C．高光照强度下光反应速率快从而使龙须菜生长较快D．选择龙须菜养殖场所时需考虑海水的透光率等因素【答案】AB　【解析】根据题意，大气CO2浓度约为0.03%，故实验中CO2浓度为0.03%的组是对照组，A错误；据图1可知，在相同光照条件下，0.03%CO2和0.01%CO2浓度下植物相对生长速率几乎无差别，故增加CO2浓度不能提高龙须菜的生长速率，B错误；据图可知，高光照强度下光反应速率和生长速率都比低光照条件下高，C正确；结合图1和图2分析可知，龙须菜的生长速率和光反应速率主要受光照的影响，故选择龙须菜养殖场所时需考虑海水的透光率等因素，D正确。2．(2019年全国Ⅰ卷)将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中，一段时间后植株达到40 g，其增加的质量来自 (　　)A．水、矿质元素和空气 B．光、矿质元素和水C．水、矿质元素和土壤 D．光、矿质元素和空气【答案】A　【解析】根据生物体和细胞的物质组成与含量分析：植株增加的重量主要来自水，其次是蛋白质等有机物和无机盐。有机物是植物利用空气中的CO2和土壤中的H2O通过光合作用合成而来，无机盐则来自植物根细胞从土壤中吸收的矿质元素。3．(2019年陕西宝鸡模拟)温室大棚栽培黄瓜时，CO2不足会引起黄瓜苗黄化，畸形瓜增多，产量下降。针对这种现象所采取的措施中，不合理的是 (　　)A．白天气温较高时打开大棚换气B．晚上在大棚内进行补光C．将养猪棚与黄瓜棚相连通D．在大棚内适当施用有机肥【答案】B　【解析】白天气温较高时，由光合作用强度大于呼吸作用强度，导致棚内CO2浓度较低，此时应打开大棚换气，可以增加棚内CO2浓度，A合理；晚上在大棚内进行补光，将会使植物在夜间也进行光合作用，消耗CO2，易导致棚内CO2不足，B不合理；将养猪棚与黄瓜棚相连通，可以使猪呼吸作用产生的CO2通入黄瓜棚内，可以增加棚内CO2浓度，C合理；在大棚内适当施用有机肥，经过微生物的分解作用，释放CO2，可以增加棚内CO2浓度，D合理。4．(2019年海南卷)下列关于高等植物光合作用的叙述，错误的是 (　　)A．光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能B．红光照射时，胡萝卜素吸收的光能可传递给叶绿素aC．光反应中，将光能转变为化学能需要有ADP的参与D．红光照射时，叶绿素b吸收的光能可用于光合作用【答案】B　【解析】叶绿体中的色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素，前者包括叶绿素a和叶绿素b，主要吸收红光和蓝紫光；后者包括胡萝卜素和叶黄素，主要吸收蓝紫光。光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能，但需要利用光反应阶段形成的NADPH和ATP，A正确；胡萝卜素不能吸收红光，B错误；光反应中，将光能转变为ATP中活跃的化学能，需要有ADP和Pi及ATP合成酶的参与，C正确；红光照射时，叶绿素b吸收的光能可用于光合作用，光能可以转变为ATP中活跃的化学能，D正确。