第5章 微专题(三) 光合作用与细胞呼吸的关系、曲线模型及相关实验设计

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微专题(三)　光合作用与细胞呼吸的关系、曲线模型及相关实验设计一、光合作用与细胞呼吸的关系1．光合作用与细胞呼吸在物质和能量上的联系①CO2；②O2；③H2O；④ATP；⑤ADP＋Pi；⑥NADP＋；⑦C5；⑧C3；⑨(CH2O)；⑩丙酮酸；⑪[H]。(1)物质方面①C：CO2(CH2O)丙酮酸CO2。②O：H2OO2H2O。③H：H2ONADPH(CH2O)[H]H2O(2)能量方面：光能 ATP和NADPH中的能量(CH2O)中的能量2．微观辨析总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系(以光合速率大于呼吸速率为例)项目表示方法(单位：g·cm－2·h－1)呼吸速率线粒体释放CO2量(m1)；黑暗条件下细胞(植物体)释放CO2量(葡萄糖消耗量)线粒体吸收O2量(n1)；黑暗条件下细胞(植物体)吸收O2量净光合速率细胞(植物体)吸收的CO2量(m2)；植物(叶片)积累葡萄糖量细胞(植物体)释放的O2量(n2)真正(总)光合速率叶绿体利用、固定CO2量m3或(m1＋m2)；植物(叶绿体)产生葡萄糖量叶绿体产生、释放O2量n3或(n1＋n2) 例1　如图表示光合作用和有氧呼吸过程中C、H、O三种元素的转移途径以及能量转换过程。图中序号表示相关的生理过程。下列叙述错误的是(　　)A．在元素转移途径中，④与⑧、⑦与⑨表示的生理过程相同B．在元素转移途径中，能在小麦根尖成熟区细胞中发生的生理过程有②③⑥⑦⑨C．在有氧呼吸过程中，产生能量最多的过程是⑦或⑨D．⑩⑫产生的ATP中的化学能都可以转变为光能和机械能答案　D解析　⑩产生的ATP只能用于暗反应，转化为有机物中的化学能，D错误。例2　如图表示温度对某种植物在光照下和黑暗中CO2吸收量和释放量(单位：mg/h)的影响情况。已知除了温度变化之外，其他环境条件(如光照强度等)不变，下列说法正确的是(　　)A．根据图中曲线，无法确定细胞呼吸的最适温度B．光照下CO2的吸收量表示光合作用所需的CO2量C．图中a点表示光合作用强度与细胞呼吸强度相等D．环境温度超过25 ℃时，植物体内有机物的量会减少答案　A解析　随着温度的上升，黑暗中CO2释放量不断增大，所以根据图中曲线，无法确定细胞呼吸的最适温度，A正确；光照下CO2吸收量是净光合速率，表示光合作用所需的CO2量－细胞呼吸释放的CO2量，B错误；由于虚线表示净光合速率，实线表示呼吸速率，所以a点不能表示光合作用强度与细胞呼吸强度相等，C错误；环境温度超过25 ℃时，净光合速率有所减小，但仍大于0，所以植物体内有机物的量仍在增加，D错误。二、自然环境及密闭容器中光合作用变化的模型1．自然环境中一昼夜植物光合作用曲线(1)a点：凌晨3时～4时，温度降低，细胞呼吸减弱，CO2释放量减少。(2)b点：上午6时左右，有微弱光照，开始进行光合作用。(3)bc段(不含b、c点)：光合作用强度小于细胞呼吸强度。(4)c点：上午7时左右，光合作用强度等于细胞呼吸强度。(5)ce段(不含c、e点)：光合作用强度大于细胞呼吸强度。(6)d点：温度过高，部分气孔关闭，出现光合“午休”现象。(7)e点：下午6时左右，光合作用强度等于细胞呼吸强度。(8)ef段(不含e、f点)：光合作用强度小于细胞呼吸强度。(9)fg段：没有光照，光合作用停止，只进行细胞呼吸。(10)积累有机物时间段：ce段。(11)制造有机物时间段：bf段。(12)消耗有机物时间段：Og段。(13)一天中有机物积累最多的时间点：e点。(14)一昼夜有机物的积累量表示为：S1－S2－S3(S1、S2、S3表示面积)。2．密闭环境中一昼夜CO2和O2含量的变化(1)光合速率等于呼吸速率的点：C、E。(2)图甲中N点低于虚线，该植物一昼夜表现为生长，其原因是N点低于M点，说明一昼夜密闭容器中CO2含量减少，即总光合量大于总呼吸量，植物生长。(3)图乙中N点低于虚线，该植物一昼夜不能生长，其原因是N点低于M点，说明一昼夜密闭容器中O2含量减少，即总光合量小于总呼吸量，植物不能生长。例3　夏季晴朗的一天，甲、乙两株同种植物在相同条件下CO2吸收速率的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)A．甲植株在a点开始进行光合作用B．乙植株在e点有机物积累量最多C．曲线b～c段和d～e段下降的原因相同D．两曲线b～d段不同的原因可能是甲植株气孔没有关闭答案　D解析　分析图示可知，这一天的6：00(甲曲线的a点)和18：00左右，甲、乙两植株光合作用吸收CO2的速率和细胞呼吸释放CO2的速率相等；在6：00之前，甲、乙两植株的光合作用已经开始，但光合作用强度比细胞呼吸强度弱，A错误；在18时后，甲、乙两植物的光合作用速率开始小于细胞呼吸速率，有机物的积累最多的时刻应为18：00时，e点时有机物的积累量已经减少，B错误；图示曲线的b～c段下降的主要原因是部分气孔关闭导致叶肉细胞内CO2浓度降低，d～e段下降的原因是光照强度减弱，光反应产生NADPH和ATP的速率减慢，这两段下降的原因不相同，C错误；分析题图可知，甲植株不存在光合“午休”现象，乙植株存在光合“午休”现象，可能的原因是甲植株气孔没有关闭，D正确。例4　将一植株放在密闭玻璃罩内，置于室外一昼夜，获得实验结果如图所示。下列有关说法错误的是(　　)A．图甲中的光合作用开始于C点之前，结束于F点之后B．到达图乙中的d点时，玻璃罩内的CO2浓度最高C．图甲中的F点对应图乙中的g点D．经过这一昼夜之后，植物体的有机物含量会增加答案　C解析　图甲中的C、F点表明光合作用速率等于细胞呼吸速率，根据相应的时间可知，与图乙中的d、h点相符，即C点对应d点，F点对应h点，故C错误。三、测定光合速率和呼吸速率的方法1．“装置图法”测定光合速率与呼吸速率(1)测定装置(2)测定方法及解读①测定呼吸速率(装置甲)a．装置甲烧杯中放入适宜浓度NaOH溶液用于吸收CO2。b．玻璃钟罩遮光处理，以排除光合作用的干扰。c．置于适宜温度环境中。d．红色液滴向左移动(用红色液滴单位时间内向左移动的距离代表呼吸速率)。②测定净光合速率(装置乙)a．装置乙烧杯中放入适宜浓度的CO2缓冲液，用于保证容器内CO2浓度恒定，满足光合作用需求。b．必须给予较强光照处理，且温度适宜。c．红色液滴向右移动(用红色液滴单位时间内向右移动的距离代表净光合速率)。③根据“总(真正)光合速率＝呼吸速率＋净光合速率”可计算得到总(真正)光合速率。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，如图所示以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。净光合速率＝(z－y)/2S；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．黑白瓶法“黑白瓶”问题是一类通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算总光合作用强度的试题，其中“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，测定的是净光合作用量，可分为有初始值与没有初始值两种情况，规律如下：规律1：有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量(或二氧化碳的增加量)为有氧呼吸量；白瓶中氧气的增加量(或二氧化碳的减少量)为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。规律2：没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量与黑瓶中测得的现有量之差即总光合作用量。4．半叶法如图所示，将植物对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)则留在光下进行光合作用(即不做处理)，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。一定时间后，在这两部分叶片的对应部位截取同等面积的叶片，分别烘干称重，记为MA、MB，开始时二者相应的有机物含量应视为相等，照光后的叶片重量大于暗处的叶片重量，超过部分即为光合作用产物的量，再通过计算可得出光合速率。例5　某兴趣小组设计了如图所示的实验装置若干组，室温25 ℃下进行了一系列的实验，对实验过程中装置条件及结果的叙述错误的是(　　)A．若X溶液为CO2缓冲液并给予光照时，液滴移动距离可表示净光合作用强度大小B．若要测真正光合强度，需另加设一装置遮光处理，X溶液为NaOH溶液C．若X溶液为清水并给予光照，光合作用大于细胞呼吸时，液滴右移D．若X溶液为清水并遮光处理，消耗的底物为脂肪时，液滴左移答案　C解析　清水既不吸收和释放氧气，也不吸收和释放二氧化碳，光合作用和细胞呼吸产生和释放的O2量和CO2量相等，液滴不移动，C错误。例6　(2020·北京临川学校高一期末)某同学研究甲湖泊中某深度生物的光合作用和有氧呼吸强度。具体操作如下：取三个相同的透明玻璃瓶a、b、c，将a先包以黑胶布，再包以铅箔。用a、b、c三个瓶分别从待测深度的水体取水样，测定瓶中水体的氧含量。将a瓶、b瓶密封再沉入待测深度的水体，经24小时后取出，测两瓶中氧含量，结果如图所示。则24小时内待测深度水体中生物光合作用和有氧呼吸的情况是(　　)A．24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是v mol/瓶B．24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是(w－v)mol/瓶C．24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是k mol/瓶D．24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是(k－w)mol/瓶答案　B解析　24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量为初始瓶溶解氧(w)－a瓶溶解氧(v)，是(w－v)mol/瓶，A错误、B正确；24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量为净光合量＋呼吸量，是(k－v)mol/瓶，C、D错误。1．如图是生物体内能量供应及利用的示意图，下列说法错误的是(　　)A．a过程一定伴随O2的释放，d过程不需要O2的直接参与B．a过程产生的ATP和NADPH可用于b过程中C3的还原C．a、c中合成ATP所需的能量来源不同D．c过程葡萄糖中的化学能全部转移到ATP中答案　D解析　细胞呼吸c过程葡萄糖中的化学能只有少部分转移到ATP中，大部分以热能形式散失，D错误。2．长叶刺葵是一种棕榈科植物，下图为某研究小组在水分充足的条件下测得长叶刺葵24小时内光合作用强度的曲线，下列有关曲线的描述错误是(　　)A．曲线a表示总光合作用强度，曲线b表示净光合作用强度B．10：00以后曲线b下降的原因是与光合作用有关的酶对温度不敏感所致C．14：00以后a、b均下降的原因是光照强度减弱D．大约18：00时有机物积累量最大答案　B解析　10：00以后图中曲线b吸收CO2速率下降，但是CO2的消耗量增加，说明此时是因为呼吸速率加快引起的，B错误。3．如图甲为光合作用最适温度条件下，植物光合速率测定装置图，图乙中a、b为测定过程中某些生理指标相对量的变化。(注：植物细胞呼吸的最适温度高于光合作用)下列说法错误的是(　　)A．图甲装置在较强光照下有色液滴向右移动，再放到黑暗环境中有色液滴向左移动B．若将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液，其他条件不变，则植物幼苗叶绿体产生NADPH的速率将不变C．一定光照条件下，如果再适当升高温度，真正光合速率会发生图乙中从b到a的变化，同时呼吸速率会发生从a到b的变化D．若图乙表示图甲植物光合速率由a到b的变化，则可能是适当提高了CO2缓冲液的浓度答案　B解析　将图甲中的CO2缓冲液换成质量分数为1%的NaOH溶液，装置内的二氧化碳全部被氢氧化钠吸收，光合作用的原料只能来自植物自身细胞呼吸产生的二氧化碳，光合速率下降，暗反应会抑制光反应的进行，故植物幼苗叶绿体产生NADPH的速率将减小，B错误。4．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：在叶柄基部做环剥处理(仅限制叶片有机物的输入和输出)，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，M处的实验条件是下午16时后将整个实验装置遮光3小时，则测得叶片叶绿体的光合速率是(单位：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)(　　)A．(3y－2z－x)/6  B．(3y－2z－x)/3C．(2y－x－z)/6  D．(2y－x－z)/3答案　A解析　分析题意可知，上午10时到下午16时之间的6个小时，植物既进行光合作用，也进行细胞呼吸，因此其重量变化表示的是净光合作用量，则净光合速率＝净光合作用量/6＝(y－x)/6；而M处的实验条件是下午16时后将整个实验装置遮光3小时，此时叶片只进行细胞呼吸，因此可以计算出呼吸速率＝(y－z)/3；因此总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(y－x)/6＋(y－z)/3＝(3y－2z－x)/6。5．某研究小组采用“半叶法”对番茄叶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小时后叶片初始质量－细胞呼吸有机物的消耗量；MB表示6小时后(____________________)＋(____________________)－细胞呼吸有机物的消耗量。(2)若M＝MB－MA，则M表示____________________________________________________。(3)总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小时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)将在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　(1)A部分遮光处理，植物叶肉细胞只能进行细胞呼吸，因此MA表示6小时后：叶片初始质量－细胞呼吸有机物的消耗量；B部分不做处理，植物叶肉细胞同时进行细胞呼吸和光合作用，因此MB表示6小时后：叶片初始质量＋光合作用有机物的总产量－细胞呼吸有机物的消耗量。(2)根据第(1)题可知，M＝MB－MA＝(叶片初始质量＋光合作用有机物的总产量－细胞呼吸有机物的消耗量)－(叶片初始质量－细胞呼吸有机物的消耗量)＝B叶片被截取部分在6小时内光合作用合成的有机物总量。(3)真正光合速率的大小可用单位时间、单位叶面积所消耗的CO2或产生的O2表示，亦可用单位时间、单位叶面积所制造的干物质量表示。因此真正光合速率＝M÷(截取面积×时间)。(4)将在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。6．将一株小麦密闭在无色玻璃钟罩内(钟罩体积为V L)，在室内调温至25 ℃，给予恒定适宜的光照60 min，然后遮光处理60 min。全程用CO2传感器测定钟罩内CO2浓度的变化，得到图2曲线。(1)若要获得小麦的真正光合速率，________(填“需要”或“不需要”)另设对照组。0～60 min小麦的真正光合速率为________μmol CO2/(V L·h)(V L是钟罩体积)。(2)实验10 min时，小麦叶肉细胞进行光合作用所需CO2的来源是_______________________。在停止光照的瞬间，叶绿体内C3的含量________。(3)假定玻璃钟罩足够大，CO2充分，在夏季的晴天将上述装置放到室外进行24小时测定，得到图3曲线。解释“图3曲线没有图2曲线平滑”的主要原因是_____________________。(4)图3中，12时至14时光合作用速率明显下降。分析其原因是_________________________。答案　(1)不需要　1 600　(2)线粒体供给和从细胞外吸收　增多(或升高)　(3)室外温度变化较大，室外光照强度不恒定　(4)环境温度高，蒸腾作用旺盛，部分气孔关闭，CO2供应不足解析　(1)前60 min测定净光合速率，后60 min测定呼吸速率，不必另设对照组。真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(2 000－800)＋(1 200－800)＝1 600[μmol CO2/(V L·h)]。(2)光合作用旺盛，叶绿体需要较多CO2，包括线粒体供给和从细胞外吸收。停止光照，叶绿体内缺少NADPH和ATP，还原C3的过程减弱，最后停止。而CO2和C5结合继续形成C3，所以叶绿体内C3的含量增多。(3)图2所示曲线是在室内调温至25 ℃、恒定适宜的光照60 min、再遮光处理60 min的条件下测得的。如果在夏季的晴天，将装有小麦的密闭无色玻璃钟罩放到室外进行24小时测定，因室外温度变化较大，而且室外的光照强度不恒定，导致光合速率出现波动，所以得到的“图3曲线没有图2曲线平滑”。(4)图3中12时至14时，光照强，环境温度高，蒸腾作用旺盛，部分保卫细胞因失水而导致气孔关闭，使得CO2的供应不足，暗反应减弱，进而引起光合作用速率明显下降。