高考生物一轮总复习学案：第3单元 细胞的代谢 第2讲 光合作用

第2讲　光合作用

考纲考情

知识整合

一、光合作用探索历程

1.17世纪中叶，比利时的范·海尔蒙特通过实验，认为植物生长所需的养料主要来自________，而不是________。

2.1771年英国的普利斯特利通过植物和动物之间进行气体交换的实验得出植物生长需要吸收________，同时释放出________。

3.1779年荷兰的英格豪斯认为植物需要阳光才能制造出________。

4.1864年萨克斯采用碘液检测淀粉的方法，确定叶片在光下能产生________。

5.1940年鲁宾和卡门运用同位素标记法证明了光合作用释放的________来自________，糖类中的________也来自________。

6.1948年美国的卡尔文用14C标记的CO2追踪的行踪，发现CO2被用于合成________等有机物。

二、光合作用及其影响因素

1.定义

光合作用是指绿色植物通过________，利用________，把________和________转化成储存着________的________，并且释放________的过程。光合作用的总反应式为：__________________________________________________。

2.影响光合速率的环境因素

(1)影响光合作用的环境因素

(2)提高光能利用率的途径：________(轮作、大棚)、增加光照面积(合理密植)、________等。

三、叶绿体中色素的提取与分离

1.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂________中，所以，可以用________提取绿叶中的色素。绿叶中的色素不止一种，它们都能溶解在________中，但它们在层析液中的________不同：溶解度高的随________在滤纸上扩散得________；反之则________。这样几分钟之后，绿叶中的色素就会随着________在滤纸上的扩散而分离开。实验过程包括：提取色素→画滤液细线→________________________→观察与记录。

2.________是进行光合作用的场所。它内部巨大的________上，不仅分布着许多吸收光能的________，还有许多进行光合作用所必需的________。考点突破

考点1　光合作用的探究历程

1.探究普利斯特莱的实验设计和实验评价

(1)实验设计：

密闭玻璃罩＋绿色植物＋

(2)实验评价：①本实验缺乏空白对照，实验结果说服力不强，应将点燃的蜡烛和小鼠分别单独置于玻璃罩内，作为空白对照。

②普利斯特莱没有认识到光在植物更新空气中的作用，而将空气的更新归因于植物的生长。

2.根据下面萨克斯的实验设计，完善下列问题

黑暗中饥饿处理的绿叶

(1)该实验的对照类型为自身对照，自变量为光的有无，因变量为颜色变化(有无淀粉生成)，实验组是遮光处理组，对照组为曝光处理组。

(2)该实验的关键是要进行饥饿处理，以使叶片中的营养物质消耗掉，增强实验的说服力。

3.根据恩吉尔曼的实验设计，完善下列问题

(1)选择水绵作为实验材料的原因是：水绵有带状叶绿体，螺旋分布在细胞中，便于观察和分析。

(2)将临时装片放在黑暗和无空气的环境中是为了排除环境中光线和O2的影响。

(3)设置细光束和好氧菌的好处：能够准确判断出水绵细胞中产生氧气的部位。

4.根据鲁宾和卡门实验的设计，完善下列问题

HO＋CO2植物,Ｆ18O2

H2O＋C18O2植物,ＦO2

(1)鲁宾和卡门应用同位素标记法追踪CO2和H2O中的O元素在光合作用中的转移途径。

(2)该实验设置了对照，自变量是标记物质(HO和C18O2)，因变量是释放的O2有无放射性。

例1　一位科学家做了如下实验：将水绵(丝状绿藻)放在暗处，一束白光通过棱镜再投射到水绵的叶绿体上，这时好氧性细菌将明显聚集在(　　)

  A.红光和蓝紫光的投影区域内  B.红光和绿光的投影区域内

  C.黄光和橙光的投影区域内    D.红光的投影区域内

1.某植物叶片不同部位的颜色不同，将该植物在黑暗中放置48h后，用锡箔纸遮蔽叶片两面，如图所示。在日光下光照一段时间，去除锡箔纸，用碘染色法处理叶片，观察到叶片有的部位出现蓝色，有的没有出现蓝色。其中，没有出现蓝色的部位是(　　)

  A.a、b和d  B.a、c和e  C.c、d和e  D.b、c和e

考点2　光合作用过程

1.光合作用过程图解及元素去向

(1)光合作用过程图解：

(2)反应式及三大元素去向：

6CO2＋12H2OC6H12O6＋6H2O＋6O2

①氧元素：H2O―→O2

②碳元素：CO2―→C3―→(CH2O)

③氢元素：H2O―→[H]―→(CH2O)

2.光反应与暗反应的比较

特别提醒

(1)光合作用光反应产生的ATP只用于暗反应阶段，不能用于其他生命活动，其他生命活动所需ATP只能来自细胞呼吸。

(2)CO2中的C首先进入C3然后进入(CH2O)，C5中的C不进入(CH2O)。

例2　下列叙述错误的是(　　)

  A.温度和光照会影响CO2的同化速率

  B.光合作用中O2的产生发生在光反应阶段

  C.光反应产生的ATP和NADPH不参与暗反应

  D.土壤中的硝化细菌可利用CO2和H2O合成糖

2.如图为大豆叶片光合作用暗反应阶段的示意图。下列叙述正确的是(　　)

  A.CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为C3中的化学能

  B.CO2可直接被[H]还原，再经过一系列的变化形成糖类

  C.被还原的C3在有关酶的催化作用下，可形成C5

  D.光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高

例3　(2016·北京高考)在正常与遮光条件下向不同发育时期的豌豆植株供应14CO2，48h后测定植株营养器官和生殖器官中14C的量。两类器官各自所含14C量占植株14C总量的比例如图所示。

与本实验相关的错误叙述是(　　)

  A.14CO2进入叶肉细胞的叶绿体基质后被转化为光合产物

  B.生殖器官发育早期，光合产物大部分被分配到营养器官

  C.遮光70%条件下，分配到生殖器官和营养器官中的光合产物量始终接近

  D.实验研究了光强对不同发育期植株中光合产物在两类器官间分配的影响

3.关于光合作用，下列说法正确的是(　　)

  A.与夏季相比，植物在冬季光合速率低的主要原因是光照时间缩短

  B.生长于较弱光照条件下的植物，当提高CO2浓度时，其光合速率未随之增加，主要限制因素是光反应

  C.延长光照时间能提高光合作用强度

  D.植物体从土壤中吸收的水分主要用于光合作用

考点3　影响光合作用的因素

1.影响光合作用的内部因素

(1)植物种类不同，光合速率不同。光合速率取决于叶肉细胞中叶绿体的数量、叶绿体中色素的含量以及光合酶的种类和数量。

(2)同一植物在不同的生长发育阶段、不同部位的叶片、同一部位的叶片在不同的叶龄时，光合速率不同。

2.影响光合作用的环境因素及曲线分析

空气中CO2浓度、土壤中水分的多少、光照的长短与强弱，光的成分以及温度的高低等，都是影响光合作用强度的外界因素。

(1)单因子对光合作用的影响

(2)多因子对光合作用的影响

在分析多因子对光合作用的影响时，首先要识别坐标中有几个因子，它们是如何影响代谢过程的，更重要的是，能对多条曲线进行对比，通过对比说明问题。对比时，要注意单一变量原则，即能对比的两条曲线之间有一个因子不同。

例4　(2017·江苏高考)科研人员对猕猴桃果肉的光合色素、光合放氧特性进行了系列研究。图1为光合放氧测定装置示意图，图2为不同光照条件下果肉随时间变化的光合放氧曲线。请回答下列问题：

                                    图2

(1)取果肉薄片放入含乙醇的试管，并加入适量____________，以防止叶绿素降解。长时间浸泡在乙醇中的果肉薄片会变成白色，原因是____________________________。

(2)图1中影响光合放氧速率的因素有________________________________________。

氧电极可以检测反应液中氧气的浓度，测定前应排除反应液中________的干扰。

(3)图1在反应室中加入NaHCO3的主要作用是________。若提高反应液中NaHCO3浓度，果肉放氧速率的变化是________(选填“增大”、“减小”、“增大后稳定”或“稳定后减小”)。

(4)图2中不同时间段曲线的斜率代表光合放氧的速率，对15～20  min曲线的斜率几乎不变的合理解释是________________________；若在20  min后停止光照，则短时间内叶绿体中含量减少的物质有________(选填序号：①C5　②ATP　③[H]　④C3)，可推测20～25  min曲线的斜率为________(选填“正值”、“负值”或“零”)。

4.关于小麦光合作用的叙述，错误的是(　　)

  A.类囊体上产生的ATP可用于暗反应

  B.夏季晴天光照最强时，小麦光合速率最高

  C.进入叶绿体的CO2不能被NADPH直接还原

  D.净光合速率为长期零时会导致幼苗停止生长

3.外界条件对光合作用产物的影响

　　例5　(2016·天津高考)在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是(　　)

  A.红光，ATP下降    B.红光，未被还原的C3上升

  C.绿光，[H]下降      D.绿光，C5上升

5.正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是(　　)

  A.O2的产生停止       B.CO2的固定加快

  C.ATP/ADP比值下降   D.NADPH/NADP＋比值下降

4.总光合作用与净光合作用

(1)关系：总光合作用＝净光合作用＋呼吸作用

(2)曲线图分析

a点：光照强度为0时，CO2的释放速率，即呼吸速率。(可推算呼吸作用释放CO2的量)ab段(不含a、b点)：随光照强度由0上升到b，CO2的净释放速率渐小，是由于光合速率随光照强度上升而上升，CO2的吸收速率渐增；呼吸速率不变，CO2的真正释放速率不变，两者的代数和变小导致净光合速率为负值。

b点：光照强度为b时，CO2的真正释放速率刚好等于CO2的真正吸收速率，是由于此时的光合速率等于呼吸速率导致的，即净光合速率为0，把此时的光照强度(b)称为“光补偿点”。

bc段(不含b、c点)：光照强度大于光补偿点以后，CO2的真正吸收速率开始大于CO2的真正释放速率，是由于此时的光合速率开始大于呼吸速率导致净光合速率渐增。

c点：光照强度为c时(或大于c时)，CO2的真正吸收速率达到最大值，不再变化；呼吸速率也不变，CO2的真正释放速率不变；两者的代数和不再变化。净光合速率达最大值，把此时的光照强度(c)称为“光饱和点”。

例6　将如图所示细胞置于密闭容器中培养。在不同光照强度下细胞内外的CO2和O2浓度在短时间内发生了相应变化。下列叙述错误的是(　　)

  A.黑暗条件下，①增大、④减小          B.光强低于光补偿点时，①、③增大

  C.光强等于光补偿点时，②、③保持不变   D.光强等于光饱和点时，②减小、④增大

6.(2017·浙江高考)为探究不同环境因素对某植物叶片中叶绿素含量的影响，进行了相关实验，结果如图所示。

回答下列问题：

(1)本实验的因变量是____________。由图中曲线对比可知，经________处理的该植物叶片中叶绿素含量下降最为明显，这将直接导致光反应中叶绿素吸收的________光减少而降低了光合速率。由此推知，若遇到较低温天气，除升温方法外，可对植物进行________处理以减少叶绿素的损失。

(2)提取上述四组该植物叶片中的色素时，为防止色素被破坏，研磨时可加入适量的________。对上述四组色素提取液分别进行纸层析分离，结果发现，第4组得到的色素带中，从上到下的第________条色素带均明显变窄。

(3)若用不同波长的光照射叶绿素a提取液并测定________，可得到叶绿素a的吸收光谱。

考点4　叶绿体色素的提取与分离

1.叶绿素和其他色素

2.实验要点

(1)实验中几种化学试剂的作用

①无水乙醇、丙酮等有机溶剂可溶解叶绿体中的色素；

②二氧化硅可增大研磨面积，使研磨更充分；

③碳酸钙可防止研磨过程中色素被破坏。

(2)实验成功的关键

①叶片要新鲜、颜色要深绿、含有较多色素。

②研磨要迅速、充分。迅速研磨的原因是叶绿素不稳定，时间一长易被活细胞内的叶绿素酶水解。充分研磨使叶绿体完全破裂、提取较多的色素。

③滤液细线不仅要求细、直，而且要求含有较多的色素，所以要求待滤液干后再画若干次。

④滤液细线不能触及层析液，否则色素会溶解到层析液中，滤纸条上得不到色素带。

(3)实验结果分析

在色素提取和分离实验中色素带最宽的是叶绿素a；色素带最整齐的是胡萝卜素；在滤纸上相邻色素带中，距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b，距离最远的两条色素带是胡萝卜素与叶黄素。具体如图。

(4)注意事项

①剪取干燥的定性滤纸，双手尽量不要接触纸面，手要干净、干燥(可以套上塑料袋)，以免污染滤纸。

②加入的SiO2和CaCO3一定要少，否则滤液浑浊，杂质多，颜色浅，实验效果差。

③根据试管的长度制备滤纸条，让滤纸条长度高出试管1  cm，高出部分做直角弯折。

④画滤液细线时，用力要均匀，速度要适中。

3.叶绿体色素提取和分离实验异常现象分析

(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析。

①未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。

②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少。

③一次加入大量的丙酮，提取浓度太低(正确做法：分次加入少量丙酮提取色素)。

④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。

(2)滤纸条色素带重叠：滤纸条上的滤液细线接触到层析液。

(3)滤纸条看不见色素带

①忘记画滤液细线。

②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。

4.实验创新

本实验在圆形滤纸中央点一滴层析液，对叶绿体中的色素进行层析，会得到近似同心的四个色素环，由内到外依次是黄绿色、蓝绿色、黄色、橙黄色。

5.实验拓展应用

利用色素等能溶解在有机溶剂中的特点可以解决以下问题：

(1)利用无水乙醇或汽油洗去衣物上被绿叶污染的斑点。

(2)用无水乙醇或汽油洗去衣物上的油污。

(3)利用有机溶剂提取花生等油料作物中的脂肪。

例7　(2017·天津高考)叶绿体中的色素为脂溶性，液泡中紫红色的花青苷为水溶性。以月季成熟的紫红色叶片为材料，下列实验无法达到目的的是(　　)

  A.用无水乙醇提取叶绿体中的色素

  B.用水做层析液观察花青苷的色素带

  C.用质壁分离和复原实验探究细胞的失水与吸水

  D.用光学显微镜观察表皮细胞染色体的形态和数目

7.(2016·江苏高考)下列用鲜菠菜进行色素提取、分离实验的叙述，正确的是(　　)

  A.应该在研磨叶片后立即加入CaCO3，防止酸破坏叶绿素

  B.即使菜叶剪碎不够充分，也可以提取出4种光合作用色素

  C.为获得10mL提取液，研磨时一次性加入10 mL乙醇研磨效果最好

  D.层析完毕后应迅速记录结果，否则叶绿素条带会很快随溶液挥发消失

请根据下列关键词的提示，归纳构建本课时知识体系。

光合作用　光反应　暗反应　物质变化　能量变化　场所　条件　色素的提取和分离

蓝绿色　黄绿色　叶绿素a　叶绿素b　胡萝卜素与叶黄素

随堂演练

1.从新鲜的菠菜叶片提取叶绿体色素，发现提取液明显偏黄绿色，最可能的原因是(　　)

  A.加入的石英砂太多    B.没有加入碳酸钙

  C.用脱脂棉过滤不彻底  D.一次加入过多无水乙醇

2.关于高等植物叶绿体中色素的叙述，错误的是(　　)

  A.叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中

  B.构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收

  C.通常，红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用

  D.黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的

3.为探究影响光合作用强度的环境因素，将同一品种的玉米苗置于25℃条件下培养，实验结果如图所示。下列分析错误的是(　　)

第3题图

  A.与d点相比，c点条件下限制光合作用强度的主要因素是土壤水分含量

  B.与d点相比，a点条件下限制光合作用强度的主要因素是土壤水分含量

  C.与d点相比，b点条件下限制光合作用强度的主要因素是光照强度

  D.实验结果表明，在土壤含水量为40%～60%的条件下施肥效果明显

4.(多选)下列与光合作用有关的叙述中，正确的是(　　)

  A.水的光解发生在叶绿体片层结构的薄膜上

  B.光反应和暗反应都有许多酶参与

  C.温度降到0℃时，仍有植物能进行光合作用

  D.ATP在暗反应中起还原作用，并能将能量转移到糖类分子中

5.下图表示某植物光合作用的过程，甲、乙表示物质。下列有关叙述正确的是(　　)

第5题图

  A.突然黑暗会导致ATP含量上升      B.(CH2O)中的O元素来自H2O

  C.甲物质可来自外界也可来自线粒体  D.乙物质参与甲物质的固定过程

6.(2016·江苏卷)为了选择适宜栽种的作物品种，研究人员在相同的条件下分别测定了3个品种S1、S2、S3的光补偿点和光饱和点，结果如图1和图2。请回答以下问题：

图1                 图2

(1)最适宜在果树林下套种的品种是________，最适应较高光强的品种是________。

(2)增加环境中CO2浓度后，测得S2的光饱和点显著提高，但S3的光饱和点却没有显著改变，原因可能是：在超过原光饱和点的光强下，S2的光反应产生了过剩的________，而S3在光饱和点时可能________________(填序号)。

①光反应已基本饱和　②暗反应已基本饱和　

③光、暗反应都已基本饱和

(3)叶绿体中光反应产生的能量既用于固定CO2，也参与叶绿体中生物大分子________的合成。

(4)在光合作用过程中，CO2与RuBP(五碳化合物)结合的直接产物是磷酸丙糖(TP)，TP的去向主要有三个。图3为叶肉细胞中部分代谢途径示意图。

图3

第6题图

淀粉是暂时存储的光合作用产物，其合成场所应该在叶绿体的________。淀粉运出叶绿体时先水解成TP或________，后者通过叶绿体膜上的载体运送到细胞质中，合成由________糖构成的蔗糖，运出叶肉细胞。

7.(2018·百校联考)为了研究不同烟草品种的叶片发育过程中的光合作用特性，科学家做了以下实验：用生育期接近的“NC89”和“JYH”两个烟草品种作为材料，常规育苗，在幼苗生长到2片真叶时，移栽入盆钵，置于温房中常规管理。幼叶长到0.5  cm时开始计算叶龄，自10d叶龄起，每隔10d取生长一致的第12片叶，测定各项指标，每项测定重复3次，得到如下图结果。请回答下列问题：

图1                                  图2

烟草叶片发育过程中光合速率的变化      烟草叶片发育过程中叶绿素含量的变化

第7题图

(1)该项研究的自变量有________________。实验中，每项测试都要在相同的条件下重复3次，目的是________________________。两个烟草品种培育的条件必须完全相同，目的是______________________________________。

(2)该实验中测定的光合速率属于净光合速率，如果要测定总光合速率，还需要同时测定______________，该项测定必须在____________条件下进行。

(3)测定叶绿素含量的目的是了解不用品种、不同叶龄光合作用的差异与光合作用________阶段之间的关系。本实验中采用的是研磨叶片，用丙酮提取的办法，该方法测定的叶绿素含量与实际相比________。

(4)从实验结果看，产量更高的烟草品种为________，原因是______________________________________。