苏教版 (2019)必修1《分子与细胞》第三章 细胞中能量的转换和利用第四节 影响光合作用和细胞呼吸的环境因素学案

这是一份苏教版 (2019)必修1《分子与细胞》第三章 细胞中能量的转换和利用第四节 影响光合作用和细胞呼吸的环境因素学案，共13页。学案主要包含了影响光合作用的环境因素，影响细胞呼吸的环境因素，光合作用和细胞呼吸原理的应用等内容，欢迎下载使用。

一、影响光合作用的环境因素
1．光合速率：可以用单位时间单位叶面积上的CO2固定量或O2释放量来表示。
2．光照是植物进行光合作用的必要条件
(1)光照强度会影响光合速率
①光照强度可以用单位叶面积上所接收的可见光能量来表示。
②光照强度对光合速率的影响示意图
③在一定范围内，光合速率随着光照强度的增强而相应增加；当达到某一定值后，光照强度即使继续增强，光合速率也不再增加。
(2)光质
①叶绿体中的色素对不同光质的光有不同的吸收值。
②实验表明，叶绿素a和叶绿素b在蓝光区和红光区各有两个吸收高峰，类胡萝卜素的吸收高峰在蓝光区。
叶绿体中的色素不吸收或很少吸收绿光。
3．CO2是光合作用的原料之一
(1)CO2浓度对光合速率的影响示意图
(2)在一定范围内，植物光合速率随着环境中CO2浓度的上升而增加，在CO2浓度达到某一定值后，再增加CO2浓度，光合速率也不再增加。
4．温度对光合作用中酶活性的影响很大，因而对光合速率也有明显的影响。酶对温度很敏感，低温或高温会导致酶活性降低，光合速率也会降低。
5．土壤中的水分含量和无机盐的种类也会影响光合速率
(1)水是光合作用的原料之一，充足的水分能直接影响植物的光合速率。
(2)氮素是蛋白质、核酸的组成成分，充足的氮素供应可以促进叶面积的增大和叶数量的增多，从而增加光照面积，间接地影响植物的光合速率。
(3)镁是叶绿素的组成成分，适时补充镁元素可以促进叶绿素的合成，从而影响光合速率。
二、影响细胞呼吸的环境因素
1．呼吸速率是植物细胞代谢强弱的一个重要指标，常用单位面积或单位重量的植物体在单位时间内所吸收O2或释放CO2的量来表示。
2．温度对细胞呼吸主要影响了与细胞呼吸有关的酶的活性。
(1)在一定的温度范围内，酶活性因温度的升高而提高，呼吸速率也会增高；到达最高值后，因温度高于酶的最适温度，酶活性降低，因而呼吸速率也随着温度的升高而下降。
(2)细胞呼吸的最适温度、最低温度和最高温度会因植物的种类和生理状态的不同而有较大差异。
(3)植物细胞呼吸的最适温度一般高于光合作用的最适温度，因此，当细胞呼吸处于最适温度时，细胞呼吸旺盛，而光合作用可能已经有所减弱。
3．氧是细胞进行有氧呼吸的必要条件
(1)在氧浓度较低的范围内，植物的呼吸(有氧呼吸)速率随氧浓度的增加而升高，但增至一定程度时，呼吸速率就不再升高了。
(2)在缺氧条件下，植物可短暂地进行无氧呼吸，但由于有机物的不完全氧化，积累的不完全氧化产物会对细胞产生毒害，所以，无氧呼吸最终常会使植物受到伤害。
(3)苹果细胞无氧呼吸会积累过多酒精，结果细胞受到毒害而死亡，失去抵御微生物入侵的能力，最后苹果腐烂。同样，动物在剧烈运动时会因无氧呼吸积累过多的乳酸，从而出现肌肉酸痛。
(4)在以有氧呼吸为主的生物体内，随着氧浓度的提高，有氧呼吸会增强，无氧呼吸会有所减弱。
4．二氧化碳是细胞呼吸的最终产物
(1)空气中二氧化碳的体积分数约为0.033%。当二氧化碳体积分数高于5%时，细胞呼吸明显受到抑制。
(2)在土壤中，根系土壤微生物的细胞呼吸会产生大量的二氧化碳，当土壤板结、深层通气不良时，积累的二氧化碳体积分数可达4%～10%，甚至更高。此时若不及时中耕松土，根部细胞的有氧呼吸会严重受阻。
(3)一些植物(如豆科植物)种子由于种皮的限制，细胞呼吸产生的二氧化碳难以被释放出来，种皮内积聚较高浓度的二氧化碳会抑制细胞呼吸，导致种子进入休眠状态。
5．植物组织的含水量与呼吸速率也有密切关系。在一定范围内，细胞呼吸速率随组织含水量的增加而增高。干燥种子的细胞呼吸速率很低，而当种子吸水后，细胞呼吸速率迅速增高。
6．植物种类的不同以及同一植物的不同组织器官，也能影响植物细胞的呼吸速率。
(1)不同种类的植物呼吸速率不同。一般来说，旱生植物生长缓慢，细胞呼吸速率比水生植物低；阴生植物所处的地方光照强度较弱，细胞呼吸速率比阳生植物低。
(2)同一种植物在不同的生长发育时期，细胞呼吸速率有所不同。一般在幼苗期、开花期等生长旺盛期，细胞呼吸速率增高。同一种植物的不同器官，细胞呼吸速率也有所不同，一般生殖器官比营养器官的细胞呼吸速率高，幼嫩的组织器官比衰老的组织器官的细胞呼吸速率高。
三、光合作用和细胞呼吸原理的应用
1．增加光照面积、延长光照时间等可以充分利用光能。
2．适当增强细胞呼吸可以促进作物的生长发育。
(1)在水稻生产中，适时采取露田和晒田等措施，就是为了改善土壤通气条件，以增强根系的细胞呼吸。
(2)合理密植也有利于作物的细胞呼吸和光合作用。作物种植过密，在高温和光照不足的情况下，细胞呼吸消耗过大，光合作用产物被较多地分解，因而净光合速率降低，产量受到影响。
3．在储藏果蔬时，一般采用适当降低温度或氧浓度的方法，抑制细胞呼吸，以减少有机物的消耗。
4．在储藏粮食时，通过降低粮仓的湿度，使储存的种子保持干燥，以抑制细胞呼吸，延长保存期限。
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．光照强度影响光合作用但光质不影响。( )
2．温度只影响暗反应过程，因为只有暗反应需要酶的催化。( )
3．CO2浓度是通过影响暗反应过程来影响光合作用的。( )
4．植物处在干旱环境中，光合作用不能正常进行，主要影响光反应中水的光解。( )
5．储存蔬菜、水果时应隔绝O2，以减弱细胞呼吸。( )
6．稻田需要定期排水，否则水稻幼苗因缺氧生成乳酸而变黑、腐烂。( )
提示：1.× 光质也能影响光合作用。
2．× 受温度影响，光反应也需酶的催化。
3．√
4．× 植物缺水，则气孔关闭，CO2供应不足，影响暗反应，水的光解只需很少H2O就能进行。
5．× 若隔绝O2，细胞无氧呼吸会加强，不利于蔬菜、水果的储存，而应低氧储存。
6．× 水稻幼苗缺氧生成乙醇。
影响光合作用的环境因素
1．光照强度
(1)原理分析：光照强度主要影响光反应阶段ATP和[H]的产生，进而限制暗反应阶段。
(2)曲线分析
(3)应用分析
①欲使植物正常生长，则光照强度应大于B点对应的光照强度。
②适当提高光照强度可增加作物产量。
③阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低，间作套种时农作物的种类要合理搭配。
2．CO2的浓度
(1)原理分析：通过影响暗反应阶段，制约C3生成。
(2)曲线分析
图1 图2
①走势分析：图1和图2都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增大而增大，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用速率不再增加。
②关键点分析：图1中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点。
图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。图1和图2中的B和B′点都表示CO2饱和点。
(3)应用分析
①温室中适当增加CO2浓度，如投入干冰等；
②大棚中“正其行，通其风”，以及多施有机肥来提高CO2浓度。
3．温度
(1)原理分析：通过影响酶活性进而影响光合作用。
(2)曲线分析
①AB段：随着温度升高，光合作用增强。
②B点：光合作用最适温度。
③BC段：随着温度升高，光合作用减弱。
④温度过高时，酶失活，光合作用完全停止。
(3)应用分析
①适时播种。
②温室栽培时白天适当提高温度，夜间适当降低温度。
4．水和营养元素
(1)水：是光合作用重要的反应物，又可影响气孔的开闭，间接影响CO2的吸收，还可影响光合产物的运输，从而影响光合速率。
(2)营养元素：影响细胞内许多化合物的合成，从而影响植物体的光合作用，如氮是构成细胞内叶绿素、酶、ATP等物质的基本元素，可以促进叶面积的增大和叶片数量的增多，从而影响光合作用。
其他影响光合作用的因素
(1)因叶绿体中色素对各种色光的吸收不同，光质(不同色光)也会影响光合作用强度。
(2)光照时间的长短不影响光合作用速率，但可以影响植物体光合作用的总量，从而影响植物的生长。
(3)叶龄也会影响光合作用强度，随叶龄的增大，叶面积逐渐增大，光合作用速率也随之增大，到成熟时达到最大，之后随叶片衰老，叶绿素不断分解，光合作用速率随之下降。
5．多因子变量
实践应用：各种环境因素同时对植物的光合作用产生影响，请问冬季早晨和夏季早晨限制光合作用的因素分别是什么？
提示：冬季早晨温度较低，温度是限制光合作用的主要因素；夏季早晨温度较高，光照较弱，光照是限制光合作用的主要因素。
1．已知某植物光合作用和细胞呼吸的最适温度分别为25 ℃和30 ℃。如图表示该植物在25 ℃时光合强度与光照强度的关系。若将温度提高到30 ℃的条件下(其他条件不变)，从理论上讲，图中相应点的移动应该是( )
A．a点上移，b点左移，m点上移
B．a点不移，b点左移，m点不移
C．a点下移，b点右移，m点下移
D．a点下移，b点不移，m点上移
C [温度由25 ℃升高到30 ℃，对于细胞呼吸而言，达到最适温度，呼吸速率增大；对于光合作用而言，超过最适温度，光合速率下降。因此，a点因细胞呼吸加强而往下移。b点为光补偿点，一方面细胞呼吸加强，需较强的光照强度才能产生与细胞呼吸消耗量相当的有机物，另一方面光合速率下降，产生有机物的速率也下降，也需较强的光照强度才能产生与原来等量的有机物，所以b点右移；因温度超过光合作用最适温度，酶活性下降，光合作用强度降低，m点下移，故选C。]
2．某植物净光合速率的变化趋势如图所示，据图回答下列问题：
(1)当CO2浓度为a时，高光强下该植物的净光合速率为________________。CO2浓度在a～b之间时，曲线________________表示了净光合速率随CO2浓度的增高而增高。
(2)CO2浓度大于c时，曲线B和C所表示的净光合速率不再增加，限制其增加的环境因素是_______________________________。
(3)当环境中CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，该植物细胞呼吸产生的CO2量________(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用吸收的CO2量。
(4)据图可推测，在温室中，若要采取提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还应该同时考虑______这一因素的影响，并采取相应措施。
[解析] (1)根据曲线图可知，当CO2浓度为a时，高光强下(曲线A)该植物的净光合速率为0；分析坐标图中曲线的走势可以看出，当CO2浓度在a～b之间时，曲线A、B、C的净光合速率都随着CO2浓度的增高而增高。(2)由题图可知，影响净光合速率的因素为CO2浓度和光强。当CO2浓度大于c时，由于受光强的限制，光反应产生的[H]和ATP不足，暗反应受到限制，曲线B和C的净光合速率不再增加。(3)当环境中的CO2浓度小于a时，在图示的3种光强下，植物的净光合速率小于0，说明该植物此时细胞呼吸产生的CO2量大于光合作用吸收的CO2量。(4)据图可推测，光强和CO2浓度都会影响植物的净光合速率，因此若要采取提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量，还应同时考虑光强这一因素的影响。
[答案] (1)0 A、B、C (2)光强 (3)大于 (4)光强
影响细胞呼吸的因素
1．影响细胞呼吸的内因——遗传因素
遗传物质的不同决定酶的种类和数量不同，进而影响细胞呼吸的类型、速率等。
(1)生物的细胞呼吸类型
①需氧型生物——需在氧气充足的条件下才能正常生活，如人、绝大多数动植物。
②厌氧型生物——需要在无氧条件下才能正常生活，有氧时呼吸作用会受到抑制，甚至不能生长，如乳酸菌、破伤风杆菌。
③兼性厌氧生物——在有氧条件下进行有氧呼吸，在无氧条件下进行无氧呼吸，如酵母菌。
(2)不同种、不同生长发育时期或不同组织器官，细胞呼吸速率有差异(以植物为例)
①不同种类植物的细胞呼吸速率不同，一般旱生植物小于水生植物，阳生植物大于阴生植物。
②同一植物在不同生长发育时期呼吸速率不同，如幼苗期、开花期呼吸速率升高，成熟期呼吸速率下降。
③同一植物的不同组织器官呼吸速率不同，一般生殖器官大于营养器官。
2．影响细胞呼吸的外因——环境因素
(1)温度
①影响(如图)：细胞呼吸是一系列酶促反应，温度通过影响酶的活性进而影响细胞呼吸速率。细胞呼吸的最适温度一般在25～35 ℃之间。
②应用eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(低温储存食品,大棚栽培在夜间和阴天适当降温,温水和面发得快))
(2)氧气
①影响(如图)：O2是有氧呼吸所必需的，且O2对无氧呼吸过程有抑制作用。
a．O2浓度＝0时，只进行无氧呼吸。
b．0c．O2浓度≥10%时，只进行有氧呼吸。
d．O2浓度＝5%时，有机物消耗最少。
②应用eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(中耕松土促进植物根部有氧呼吸,无氧发酵过程需要严格控制无氧环境,低氧储存粮食、水果和蔬菜))
(3)水分
①影响eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(水作为有氧呼吸的反应物可直接参与反应,水作为生物化学反应的介质影响反应的进行,在一定范围内，细胞呼吸速率随含水量的增加,而加快，随含水量的减少而减慢))
②应用eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(粮食在入仓前要进行晾晒处理,干种子萌发前进行浸泡处理))
(4)CO2
①影响：CO2是细胞呼吸的最终产物，积累过多会抑制细胞呼吸的进行，如右图所示。
②应用：适当增加CO2浓度，有利于水果和蔬菜的保鲜。
实践应用：农业上有一句关于锄地(中耕松土)的谚语“锄头下面有肥”，请结合所学知识分析该谚语的合理性。
提示：松土可增加土壤中的氧气浓度，促进农作物的有氧呼吸强度，进而增强矿质元素的吸收。
1．以下甲、乙两图都表示苹果组织细胞中CO2释放量和O2吸收量的变化。下列相关叙述不正确的是( )
A．图甲中氧浓度为a时的情况对应的是图乙中的A点
B．图甲中氧浓度为b时的情况对应的是图乙中的CD段
C．图甲的a、b、c、d四个浓度中c是最适合贮藏的氧浓度
D．图甲中氧浓度为d时没有乙醇产生
B [图甲中氧浓度为a时，细胞只释放CO2不吸收O2，说明细胞只进行无氧呼吸，对应图乙中的A点，A正确；图甲中氧浓度为b时CO2的释放量远远大于O2的吸收量，说明细胞既进行有氧呼吸又进行无氧呼吸，且无氧呼吸强度大，应对应图乙中AC段，B错误；贮藏植物器官应选择CO2产生量最少即细胞呼吸最弱时的氧浓度(图甲中的氧浓度c)，故C正确；氧浓度为d时，CO2的释放量与O2的吸收量相等，细胞只进行有氧呼吸，因此没有乙醇产生，D正确。]
2．(多选)下列现象中能体现细胞呼吸原理应用的是( )
A．稻田要定期排涝
B．包扎伤口时，要用透气的消毒纱布
C．温室大棚内悬挂发红色光的灯管
D．控制通气，可利用醋酸杆菌制醋
ABD [稻田要及时排水，防止植物的根细胞因缺氧而进行无氧呼吸，产生乙醇，对根系造成毒害作用，A正确；在伤口中可能有破伤风杆菌，氧气能抑制其无氧呼吸，所以要用透气的消毒纱布包扎伤口，B正确；温室大棚内悬挂发红色光的灯管，有利于植物的光合作用，没有体现细胞呼吸原理，C错误；醋酸杆菌的代谢类型属于异养需氧型，所以控制通气，可利用醋酸杆菌制醋，D正确。]
[课堂小结]
1．如图曲线a表示某种植物在最适温度和0.03%的CO2浓度条件下，光合作用合成量随光照强度变化的曲线。若在B点时改变某种条件，结果发生了如曲线b的变化，则改变的环境因素是( )
A．适当提高温度B．增大光照强度
C．适当增加CO2浓度D．增加酶的数量
C [此时温度已经是最适温度，因此再提高温度会使酶的活性降低，光合作用速率降低；B点是光照的饱和点，此时光照不是限制光合作用的因素；CO2的浓度为0.03%，相对较低，所以增加CO2浓度会提高光合作用的速率；酶的数量属于内因。]
2．如图为在不同条件下，光合作用速率随光照强度的变化而变化的曲线(Y表示除光照强度外的其他因素)。下列有关分析不正确的是( )
A．在OA段，限制光合作用速率的主要因素是光照强度，而不是Y
B．在AB段，限制光合作用速率的主要因素有光照强度和Y
C．在BC段，限制光合作用速率的主要因素是Y，而不是光照强度
D．Y可表示不同的温度或二氧化碳的浓度，其中Y1＞Y2＞Y3
D [OA段，光合作用速率主要取决于光照强度，而不是Y；AB段，光照强度和Y的改变都会影响光合作用速率；BC段，光照强度的改变不再影响光合作用速率；光合作用速率随温度的升高而升高，超过一定温度后，光合作用速率随温度的升高而下降，Y2不一定比Y1低。]
3．(多选)如图所示为苹果果实在一段时间内，随着环境中O2浓度的提高，其吸收O2量和释放CO2量的曲线。结合此图，下列叙述正确的是( )
A．O2浓度为b时，无氧呼吸与有氧呼吸释放的CO2量相等
B．O2浓度为b时，果实的无氧呼吸水平最低
C．O2浓度为a时，若cd＝ca，则无氧呼吸消耗的葡萄糖量与有氧呼吸消耗的葡萄糖量相等
D．O2浓度达到b以后，果实基本上靠有氧呼吸提供能量
BD [O2浓度为b时，吸收O2量和释放CO2量相等，这时只进行有氧呼吸，A错误，D正确；O2浓度为b时，果实的无氧呼吸水平最低，为0，B正确；O2浓度为a时，若cd＝ca，则无氧呼吸与有氧呼吸释放的CO2量相等，假设都是6，则有氧呼吸消耗葡萄糖为1，无氧呼吸消耗葡萄糖为3，C错误。]
4．雨水过多时，农作物发生烂根现象的原因是( )
A．土壤中有毒物质溶解到水中，使根遭到毒害
B．土壤中水分充足，微生物繁殖而引起烂根
C．土壤中缺乏氧气，根进行无氧呼吸产生乙醇，对根细胞有毒害作用
D．土壤因水涝温度低，使根受到低温损害
C [土壤长期被水淹，导致土壤中缺少氧气，根进行无氧呼吸，由于根的无氧呼吸会产生乙醇，对细胞有毒害作用而导致烂根，C正确。]
5．某植物在停止供水和恢复供水条件下，气孔开度(气孔开放程度)与光合速率的变化如下图所示。请回答下列问题：
(1)停止供水后，光合速率下降。这是由于水是________的原料，又是光合产物在植物体内________的主要介质。
(2)在温度、光照相同的条件下，图中A点与B点相比，光饱和点低的是________点，其主要原因是_____________。
(3)停止供水一段时间后，叶片发黄，原因是________________________。此时类囊体结构破坏，提供给暗反应的____________减少。
[解析] (1)植物体内缺少水分时光合速率下降，这是由于水是光合作用的原料，同时水也是生物体内物质运输的主要介质，光合产物的运输也离不开水。(2)A点和B点相比，A点水分供应充足，气孔开度高，二氧化碳的吸收多，光合速率大；而B点缺少水分，气孔开度低，二氧化碳的吸收少，光合速率小，所以B点的光饱和点比A点的低。(3)叶片发黄的主要原因是停止水分供应后，细胞代谢强度下降，叶绿素合成速度减慢甚至停止，或叶绿素被分解。光反应在类囊体膜上进行，为暗反应提供ATP和[H]。
[答案] (1)光合作用 运输
(2)B 气孔开度降低，CO2吸收减少(答出一项即可)
(3)叶绿素合成速度变慢或停止(或叶绿素分解)，类胡萝卜素的颜色显露出来(答出一项即可) [H]和ATP
课标内容要求
核心素养对接
1．说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转化并储存为糖分子中的化学能。
2．说明生物通过细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为生命活动可以利用的能量。
1．科学思维——利用模型与建模思想，理解环境因素对光合作用和细胞呼吸的影响。
2．科学探究——基于给定的条件，设计实验探究环境因素对光合作用和细胞呼吸的影响。
3．社会责任——依据环境因素对光合作用和细胞呼吸的影响，指导农业生产，解决实际问题。
A点
光照强度为0，此时只进行细胞呼吸；A点的CO2释放量表示细胞呼吸速率
AB段
开始进行光合作用，随光照强度的增强，光合作用强度也增强，但光合作用强度小于细胞呼吸强度
B点
光合作用强度＝细胞呼吸强度(细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用)，此时光照强度称为光的补偿点
BC段
随光照强度的增强，光合作用强度不断增强
C点
光照强度增强，光合作用强度基本不变，此时光照强度C′点称为光的饱和点，C点的CO2吸收量表示净光合作用速率
图像
含义
P点及P点之前时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随横坐标所表示的因子的不断加强，光合速率不断提高；当到Q点时，横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的因素
应用
温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当调节温度，增大光合作用酶的活性，提高光合速率，也可同时充入适量的CO2进一步提高光合速率，当温度适宜时，要适当提高光照强度和CO2浓度以提高光合速率
知识网络构建
核心语句背诵
1.光照是植物进行光合作用的必要条件，光照强度会影响光合速率；叶绿体中的色素对不同光质的光有不同的吸收值。
2.CO2是光合作用的原料之一；温度对光合作用中酶活性的影响很大；土壤中的水分含量和无机盐的种类也会影响光合速率。
3.光合速率可以用单位时间单位叶面积上的CO2固定量或O2释放量来表示。
4.呼吸速率是植物细胞代谢强弱的一个重要指标，常用单位面积或单位重量的植物体在单位时间内所吸收O2或释放CO2的量来表示。
5.植物细胞呼吸的最适温度一般高于光合作用的最适温度。
6.温度通过影响酶活性影响细胞呼吸；氧是细胞进行有氧呼吸的必要条件；CO2是细胞呼吸的最终产物；植物组织的含水量与呼吸速率也有密切关系。
7.植物种类的不同以及同一植物的不同组织器官，也能影响植物细胞的呼吸速率。
8.增加光照面积、延长光照时间等可以充分利用光能；适当增强细胞呼吸可以促进作物的生长发育。
9.在储藏果蔬时，一般采用适当降低温度或氧浓度的方法，抵制细胞呼吸，以减少有机物的消耗。
10.在储藏粮食时，通过降低粮仓的湿度，使储存的种子保持干燥，以抑制细胞呼吸，延长保存期限。