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高考生物二轮复习专题二第2讲光合作用与细胞呼吸课件
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这是一份高考生物二轮复习专题二第2讲光合作用与细胞呼吸课件，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，专项模块素能培优，H2O，CO2+H2O，NADPH，NADH，光反应水的光解，暗反应还原C3，对点训练，CO2浓度等内容，欢迎下载使用。
考点一 细胞呼吸和光合作用的过程及其相互关系分析
考点二 光合作用与细胞呼吸的影响因素及应用
微专题1 光合作用与细胞呼吸的实验设计
【网络构建 知识串联】
【教材深挖 表达训练】
1.(教材必修1 P94与P103“相关信息”)细胞呼吸产生的[H]与光合作用中的[H]相同吗?为什么?2.(教材必修1 P94“相关信息”改编)等量的葡萄糖无氧呼吸释放的能量为何远远少于有氧呼吸?
提示 不同。细胞呼吸产生的[H]是由氧化型辅酶Ⅰ(NAD+)转化成的还原型辅酶Ⅰ(NADH)。而光合作用中[H]的形成过程实际上是氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)与电子和质子(H+)结合,形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)。
提示 无氧呼吸只在第一阶段释放出少量的能量,生成少量ATP。且没有氧气的参与,葡萄糖等有机物的分解是不彻底的,大部分能量存留在酒精或乳酸中。
3.(教材必修1 P93“正文内容”)肌质体是如何形成的?它的存在有什么意义?4.(教材必修1 P105“正文内容”)硝化细菌如何合成糖类?
提示 硝化细菌能利用无机物氧化时释放出的化学能,将二氧化碳和水合成糖类。
5.(教材必修1 P99“学科交叉”)光合作用能否利用红外光或紫外光?为什么?6.光照停止或减弱,短时间内叶绿体基质中C3、C5和ATP、[H]含量变化情况及其原因是什么?
提示 不能。可见光的波长范围大约是390~760 nm。不同波长的光,颜色不同。波长小于390 nm的光是紫外光;波长大于760 nm的光是红外光。一般情况下,光合作用所利用的光都是可见光。
提示 光照停止或减弱,ATP、[H]的产生减少,C3的还原减少,但CO2供应正常,C3生成量不变,所以短时间内C3含量增加,C5含量减少。
7.突然停止光照后,短暂无光期间,植物体内依旧能生产(CH2O),这是为什么?8.落地生根是一种绿色植物,其与硝化细菌都能将无机物合成有机物,它们在合成有机物时有哪些相同和不同之处?
提示 短暂无光期间,光反应已经产生的[H]和ATP还能继续用于C3的还原。
提示 相同之处:都是利用能量,将CO2和H2O合成(CH2O)。不同之处:能量来源不同,落地生根利用的是光能,而硝化细菌利用的是体外环境中无机物氧化时所释放的化学能。
1.关注细胞呼吸的两个易错点(1)不同生物无氧呼吸的产物不同
(2)线粒体不可以直接分解葡萄糖葡萄糖彻底氧化分解离不开线粒体,但线粒体并不直接分解葡萄糖——葡萄糖必须在细胞质基质中先分解为丙酮酸,丙酮酸再进入线粒体被彻底分解。
2.光合作用与细胞呼吸的过程图解
3.光合作用与细胞呼吸中[H]、ATP来源与去路对比
4.解读总光合速率与呼吸速率的关系(图示)
5.图解四种状况下“光合作用与细胞呼吸”关系
特别提醒光饱和点之前限制因子为光照强度,光饱和点之后限制因子为其他因素,如CO2浓度、矿质离子浓度等。
题组一 精典对练——拿高分▶角度1 考查光合作用与细胞呼吸的过程及产物分析1.(2021全国卷甲,2)某同学将酵母菌接种在马铃薯培养液中进行实验,不可能得到的结果是( )A.该菌在有氧条件下能够繁殖B.该菌在无氧呼吸的过程中无丙酮酸产生C.该菌在无氧条件下能够产生乙醇D.该菌在有氧和无氧条件下都能产生CO2
答案 B解析 酵母菌在有氧条件下进行有氧呼吸,能够进行繁殖,A项不符合题意。酵母菌在无氧呼吸的第一阶段和有氧呼吸的第一阶段都有丙酮酸产生,B项符合题意。酵母菌在无氧条件下进行无氧呼吸产生乙醇和CO2,C项不符合题意。酵母菌在有氧呼吸的第二阶段和无氧呼吸的第二阶段都有CO2产生,D项不符合题意。
2.(不定项选择)(2021湖南湘潭月考)下图是苋菜叶肉细胞光合作用与有氧呼吸过程中的物质变化示意图,其中①②③④表示过程。下列相关叙述正确的是( )A.过程①②③④都有[H]的产生或利用B.过程①②③④在细胞中总是同时进行C.过程④产生的[H]来自水和有机物D.②④分别发生在叶绿体基质和细胞质基质
答案 AC解析 过程①代表光反应阶段水的光解,有[H]的产生;过程②代表暗反应阶段,有[H]的利用;过程③代表有氧呼吸的第三阶段,有[H]的利用;过程④代表有氧呼吸的第一、二阶段,有[H]的产生,A项正确。光合作用的光反应阶段需要光,所以过程①②③④在细胞中不总是同时进行,B项错误。过程④代表有氧呼吸的第一、二阶段,产生的[H]来自水和有机物,C项正确。过程②代表暗反应阶段,发生在叶绿体基质中,过程④代表有氧呼吸的第一、二阶段,发生在细胞质基质和线粒体基质中,D项错误。
题后归纳过程分析两个切入点
▶角度2 结合相关模式图,微观分析光合作用与细胞呼吸过程及内在关系3.(2021江苏南京师大附中期末)下图为某植物叶肉细胞中甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图(NADPH指[H]),请回答下列问题。
(1)甲可以将光能转变为化学能,参与这一过程的两类色素为 。 (2)在甲发育形成过程中,参与光反应中心的蛋白,在细胞质中合成后,转运到甲内,在 (填场所)上组装;核编码的Rubisc(催化CO2固定的酶)小亚基转运到甲内,在 (填场所)中组装。 (3)甲输出的三碳糖在氧气充足的条件下,可被氧化为 后进入乙,继而在乙的 (填场所)中彻底氧化分解成CO2;甲中过多的还原能可通过物质转化,在细胞质中合成NADPH,NADPH中的能量最终可在乙的 (填场所)上转移到ATP中。
答案 (1)叶绿素和类胡萝卜素 (2)类囊体薄膜 叶绿体基质 (3)丙酮酸 基质 内膜解析 (1)叶绿体是光合作用的场所,光反应过程中,叶绿素和类胡萝卜素可以将光能转变为化学能。(2)在叶绿体发育形成过程中,细胞核编码的参与光反应中心的蛋白,在细胞质中合成后,转运到叶绿体内。由于光反应发生在类囊体薄膜上,因此该蛋白质在类囊体薄膜上组装;CO2的固定属于暗反应,暗反应发生在叶绿体基质中,因此核编码的Rubisc(催化CO2固定的酶)小亚基转运到叶绿体内,在叶绿体基质中组装。(3)叶绿体输出的三碳化合物在氧气充足的条件下,可被氧化为丙酮酸后进入线粒体中,被进一步氧化分解,有氧呼吸第二阶段中丙酮酸和水分解产生CO2和[H],该阶段发生在线粒体基质中;根据图分析,叶绿体中过多的还原能可通过物质转化,在细胞质中合成NADPH,NADPH中的能量最终在线粒体的内膜上转移到ATP中。
题后归纳细胞代谢审题“两个不等于”
▶角度3 衍生点——光合作用探究历程4.阅读光合作用探究过程,回答下列问题。资料一 1939年,希尔在分离的叶绿体(实际是被膜破裂的叶绿体)悬浮液中,加入适当的电子受体(如草酸铁),照光时可使水分解而释放氧气。资料二 20世纪40年代,卡尔文及其同事,将小球藻装在一个密闭容器中,向其中通入14CO2,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中。
资料三 1957年,阿尔农发现,光使叶绿素从水中得到电子,电子传递过程中与希尔反应偶联,形成还原型辅酶Ⅱ,放氧,同时产生ATP,这一过程称为非循环光合磷酸化。
(1)希尔反应模拟了叶绿体光合作用中 阶段的部分变化。光合作用的总反应式是 。 (2)光合作用过程中,具有光化学活性,既是光能的捕捉器,又是光能的转换器的色素是 。光能首先转变为高能电子,然后转变为 和 中活跃的化学能,最后转变为糖类等有机物中的 。
(3)卡尔文通过改变实验条件来探究光合作用过程中固定CO2的化合物,他改变的实验条件是 ;这时他发现14C标记的C5的含量快速升高,由此得出固定CO2的物质是C5。卡尔文循环中C的转移路径是 。 (4)上述实验中,卡尔文将不同反应条件下的小球藻放入70 ℃的热酒精中,从而使酶失活,细胞中的化合物就保持在热处理之前的反应状态。利用不同化合物在层析液中的溶解度不同,分离出各种化合物。卡尔文在光合作用研究中采用了 和 等技术方法。
答案 (1)光反应 6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O (2)部分特殊状态的叶绿素a ATP [H] 稳定的化学能 (3)停止供应CO2,向密闭容器中通入14CO2 (4)同位素标记法 纸层析法
解析 (1)根据资料一可知,照光时可使水分解而释放氧气,说明希尔反应模拟了叶绿体光合作用中光反应阶段的部分变化。光合作用的总反应式是6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O。(2)部分特殊状态的叶绿素a既是光能的捕捉器,又是光能的转换器。光反应阶段,光能首先转变为高能电子,然后转变为ATP和[H]中活跃的化学能,在暗反应阶段转变为糖类等有机物中的稳定的化学能。
(3)卡尔文通过改变实验条件来探究光合作用过程中固定CO2的化合物,他改变的实验条件是停止供应CO2;向密闭容器中通入14CO2,当将反应进行到0.5 s时,14C 出现在一种三碳化合物(C3)中,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,这说明CO2中C的转移路径是 。(4)根据题述实验信息,卡尔文在光合作用研究中采用了同位素标记法和纸层析法等技术方法。
▶角度4 衍生点——考查特殊条件下的光合作用与细胞呼吸5.(2021山东潍坊一模)景天科植物具有独特的昼夜节律,在晚上,植物体内苹果酸含量升高,糖分含量下降;白天则相反,酸度下降,糖分增多;相应的代谢途径被称为CAM途径,具有此类代谢途径的植物称为CAM植物。图1为一昼夜大叶落叶生根(一种CAM植物)CO2吸收速率变化情况,图2为相同时间段内该植物净光合速率的变化情况。
(1)据图推测,CAM植物的气孔在 (填“白天”或“晚上”)开放,细胞中 很可能是临时储存CO2的载体。 (2)研究发现,CAM植物细胞中的CO2最早被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) 固定,生成草酰乙酸(OAA),再进一步被还原并大量积累于液泡中。为保证CAM途径的持续进行,物质 (填英文字母简称)应通过一定化学反应不断重新生成并释放到细胞质中。该途径可通过 法追踪C元素的转移路径加以证实。 (3)分析图中信息推测,CAM途径是对 (填“干旱”或“湿润”)环境的适应;该途径除维持光合作用外,对植物的生理意义还表现在 。 (4)假设昼夜温度不变,若要利用图2信息计算大叶落叶生根上午10时的实际光合速率,计算的思路是 。
答案 (1)晚上 苹果酸 (2)PEP 同位素标记 (3)干旱 有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成的水分散失过多 (4)将晚上的呼吸速率与上午10时的净光合速率相加即为上午10时的实际光合速率
6.科学研究发现,在光照、高氧和低CO2情况下,叶肉细胞在进行光合作用的同时会发生“光呼吸”作用,它是植物进行光合作用时发生的一个损耗能量的副反应。即Rubisc催化C5与CO2结合生成C3的同时,还可以催化C5与O2结合,形成一个同样的C3和另一个C2,C2可参与线粒体的有氧呼吸,其部分中间产物经ATP和[H]还原转变成C3参与暗反应,过程如图甲所示。在图乙实验装置中,已知通过配制不同浓度CO2缓冲液X可以调节并维持空气中不同浓度的CO2,而空气中的CO2浓度可以通过CO2浓度感应器测定。
(1)据图可知,光呼吸与光合作用都以 为原料,但光合作用在 阶段实现了该物质的再生,而光呼吸最终将该物质彻底氧化分解并产生 。 (2)据图甲分析,Rubisc发挥作用的场所是 ,图中ATP的水解与细胞内的 (填“吸能”或“放能”)反应相联系。 (3)已知ATP和[H]的积累会对叶绿体造成伤害,依据图甲信息,解释植物在干旱天气和过强光照下,光呼吸的积极意义是 。 (4)利用图乙装置,提供高氧和低浓度CO2环境,给予一定光照,发现红色液滴向左移动,结合图甲信息,分析液滴向左移动的具体原因是 。
答案 (1)五碳化合物(或C5) 暗反应 CO2 (2)叶绿体基质 吸能 (3)可以消耗多余的[H]和ATP,对细胞起到保护作用 (4)光呼吸消耗了装置中的O2解析 (1)据图可知,光呼吸与光合作用都以C5为原料,但光合作用在暗反应阶段重新生成了C5,而光呼吸最终将该物质彻底氧化分解并产生CO2。(2)图甲显示,Rubisc既能催化C5和CO2反应,又能催化C5和O2反应,由光合作用的过程可推测,Rubisc发挥作用的场所是叶绿体基质,ATP的水解过程释放能量,故与细胞内的吸能反应相联系。
(3)在干旱天气和过强光照下,植物的自我适应性调节会导致气孔关闭,气孔关闭引起CO2供应不足,会导致C3生成减少,进而引起[H]和ATP的消耗减少,造成[H]和ATP在叶绿体内积累,对叶绿体造成伤害,而“光呼吸”作用可以消耗多余的[H]和ATP,对细胞起到保护作用。(4)利用图乙装置,提供高氧和低浓度CO2环境,并给予一定光照条件,此时装置中的植物可进行光呼吸作用,结合图甲可知,光呼吸过程中消耗O2并释放出CO2,而装置乙中的CO2缓冲液X可以维持CO2浓度的稳定,因此引起液滴移动的原因是O2浓度的变化,红色液滴向左移动,说明光呼吸消耗了装置中的O2。
题后拓展光呼吸与细胞呼吸的异同
题组二 易错防范——不失分1.真题速览(1)有关细胞呼吸的正误判断。①[2021全国卷乙,T3C]细胞的有氧呼吸过程不消耗水但能产生水。( )②[2020浙江7月选考,T6D]若适当提高苹果果实贮藏环境中的O2浓度会增加酒精的生成量。( )③[2020浙江7月选考,T6C]细胞的有氧呼吸与无氧呼吸过程中都会产生丙酮酸。( )
提示 细胞有氧呼吸过程既消耗水,也产生水。
提示 适当提高环境中的O2浓度会抑制无氧呼吸,产生的酒精量会减少。
④[2020江苏卷,T3A]根据细胞代谢需要,线粒体可在细胞质基质中移动和增殖。( )⑤[2019全国卷Ⅱ,T2A]马铃薯块茎细胞无氧呼吸的产物是乳酸和葡萄糖。( )⑥[2018全国卷Ⅱ,T4C]与风干前相比,风干种子中细胞呼吸作用的强度高。( )
提示 马铃薯块茎无氧呼吸的产物为乳酸。
提示 风干种子因缺乏自由水,细胞呼吸更弱。
⑦[2018全国卷Ⅱ,T5B]食物链上传递的能量有一部分通过细胞呼吸散失。( )⑧[2018全国卷Ⅲ,T5C]人体有氧呼吸和无氧呼吸的产物分别是葡萄糖和乳酸。( )
提示 人体有氧呼吸的产物为CO2和H2O。
(2)有关光合作用的正误判断。①[2021浙江1月选考,T3D]在高倍镜下可观察到叶绿体的基粒由类囊体堆叠而成。( )②[2018海南卷,T4改编]高等植物细胞中,光合作用中的光反应只发生在生物膜上。( )
提示 需使用电子显微镜才能观察到叶绿体类囊体结构。
③[2017全国卷Ⅲ,T3B]叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制。( )④[2017全国卷Ⅲ,T3A]类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成。( )
提示 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
2.易错辨析(1)有关细胞呼吸的正误判断。①植物细胞在白天和黑夜都能进行有氧呼吸。( )②乳酸菌无氧呼吸的第二阶段需要ATP水解提供能量。( )③若产物中有H2O,则存在有氧呼吸;若产物中有酒精或乳酸,则存在无氧呼吸。( )④若细胞既不吸收O2也不释放CO2,说明细胞已停止无氧呼吸。( )⑤重铬酸钾溶液在酸性条件下与酒精发生化学反应,由橙色变成灰绿色。( )
提示 乳酸菌无氧呼吸的第二阶段不产生ATP,也不消耗ATP。
提示 细胞可能进行产生乳酸的无氧呼吸。
(2)有关光合作用的正误判断。①水在叶绿体中分解产生氧气需要ATP提供能量。( )②CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为C3中的化学能。( )③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NADPH/NADP+比值下降。( )④用水作层析液观察花青苷的色素带。( )⑤叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中。( )
提示 水在叶绿体中分解所需能量来自叶绿体吸收的光能。
提示 CO2的固定过程不消耗ATP。
易错点拨有关光合作用、细胞呼吸的三个易错点
1.影响植物细胞呼吸速率的内因和外因
2.掌握影响细胞呼吸的“四类”曲线
特别提示储存干种子与鲜果蔬的条件不完全相同
3.影响光合速率的内因和外因
4.影响光合作用三大因素的曲线模型解读
5.开放与密闭的环境中,一昼夜CO2含量的变化曲线分析(实线为密闭环境,虚线为开放环境)
注:若此图改为“O2含量”,则N与M的高低与植物生长的关系正好与CO2相反。
题组一 精典对练——拿高分▶角度1 细胞呼吸的影响因素及应用1.(2021湖南卷,12)下列有关细胞呼吸原理应用的叙述,错误的是( )A.南方稻区早稻浸种后催芽过程中,常用40 ℃左右温水淋种并时常翻种,可以为种子的细胞呼吸提供水分、适宜的温度和氧气B.农作物种子入库贮藏时,在无氧和低温条件下呼吸速率降低,贮藏寿命显著延长C.油料作物种子播种时宜浅播,原因是萌发时细胞呼吸需要大量氧气D.柑橘在塑料袋中密封保存,可以减少水分散失、降低呼吸速率,起到保鲜作用
答案 B解析 南方稻区早稻浸种后催芽过程中,“常用40 ℃左右温水淋种”可以为种子的细胞呼吸提供水分和适宜的温度,“时常翻种”可以为种子的细胞呼吸提供氧气,A项正确;种子无氧呼吸会产生酒精,因此,农作物种子入库储藏时,应在低氧和零上低温条件下保存,贮藏寿命会显著延长,B项错误;油料作物种子中含有大量脂肪,脂肪中C、H含量高,O含量低,油料作物种子萌发时细胞呼吸需要消耗大量氧气,因此,油料作物种子播种时宜浅播,C项正确;柑橘在塑料袋中“密封保存”使水分散失减少,氧气浓度降低,从而降低了呼吸速率,低氧、一定湿度是新鲜水果保存的适宜条件,D项正确。
2.将江苏某地当年收获的小麦秸秆剪成小段,于7月20日开始分别进行露天堆放、水泡和土埋3种方式处理,3次重复,每隔15 d检测一次秸秆腐解残留量,结果见下图。下列分析合理的是( )
A.秸秆还田后翻耕土埋主要利用了土壤中尿素细菌的呼吸作用原理B.土壤中的空气和水分条件有利于多种微生物对秸秆的分解C.如果将开始处理的时间提早30 d,则3条曲线的位置将呈现上移趋势D.从堆放、水泡2条曲线可以推测,好氧性微生物分解能力高于厌氧性微生物
答案 B解析 从环境条件分析,露天堆放会导致水分不足,水泡处理会导致氧气不足,土埋处理时,空气和水分条件有利于多种微生物对秸秆的分解,但参与秸秆分解的应主要是纤维素分解菌而不是“尿素细菌”;如果将开始处理的时间提早30 d,因气温较高,微生物分解活动强,则3条曲线的位置将呈现下移趋势;从堆放、水泡2条曲线可推测,好氧性微生物分解能力低于厌氧性微生物。
▶角度2 光合作用的影响因素及应用3.(2021湖南卷,7)绿色植物的光合作用是在叶绿体内进行的一系列能量和物质转化过程。下列叙述错误的是( )A.弱光条件下植物没有O2的释放,说明未进行光合作用B.在暗反应阶段,CO2不能直接被还原C.在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗,叶片的光合速率会暂时下降D.合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度
答案 A解析 弱光条件下植物没有O2的释放,有可能是光合作用强度小于或等于细胞呼吸强度,光合作用产生的O2被呼吸作用消耗完,此时植物虽然进行了光合作用,但是没有O2的释放,A项错误;CO2性质不活泼,在暗反应阶段,一个CO2分子被一个C5分子固定以后,很快形成两个C3分子,在有关酶的催化作用下,C3接受ATP释放的能量并且被[H]还原,因此CO2不能直接被还原,B项正确;在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗,光合作用产物输出受阻,叶片的光合速率会暂时下降,C项正确;合理密植可以充分利用光照,增施有机肥可以为植物提供矿质元素和CO2,这些措施均能提高农作物的光合作用强度,D项正确。
4.(2021山东烟台模拟)图甲表示在适宜条件下,向密闭温室中充入一定量14CO2后,草莓叶片、茎、果实的放射性含量随时间变化的曲线。已知某药物X能够调控光合产物在植物不同器官中的分配,某课题组对草莓分组并进行相应的处理,一昼夜后,给草莓提供标记的CO2,24 h后获得实验结果如图乙所示。图丙是该课题小组在15 ℃条件下以草莓为材料进行研究得到的实验结果(光合作用的最适温度为25 ℃,细胞呼吸的最适温度为30 ℃)。
(1)14CO2进入叶肉细胞后用于合成光合产物,该过程中14C的转移途径为 (用化学式和箭头表示)。由图甲可知,有机物在草莓各器官间的转移路径为 ,据图乙实验结果推测,在果实刚形成时,用X处理草莓全株 (填“会”或“不会”)明显减弱草莓的光合速率。 (2)由图丙可知,本实验的目的是研究 。光照强度为E时,草莓的净光合速率是 。若将实验温度升高5 ℃,则F点向 (填“左”“右”或“不”)移动,原因是 。 (3)根据以上结果分析,若想要得到更大的草莓,应在 的温度下栽种草莓,并用X处理草莓的 (填“幼果”或“全株”)。
答案 (1)14CO2→14C3→(14CH2O) 叶片→茎→果实 不会 (2)光照强度对光合速率和呼吸速率的影响 0 右 温度升高,酶活性增强,光合速率增大 (3)25 ℃(最适) 幼果
解析 (1)14CO2进入叶肉细胞后用于合成光合产物,先参与暗反应中CO2的固定生成C3,再被还原生成糖类,因此该过程中14C的转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O)。 由图甲可知,放射性先后出现在叶片→茎→果实中,因此有机物在草莓各器官间的转移路径为叶片→茎→果实。据图乙实验结果推测,在果实刚形成时(幼果),用X处理草莓全株,A组放射性强度与对照组相同,因此不会明显减弱草莓的光合速率。(2)由图丙可知,横坐标为光照强度,曲线为光合速率和呼吸速率,因此本实验的目的是研究光照强度对光合速率和呼吸速率的影响。光照强度为E时,光合速率与呼吸速率相等,草莓的净光合速率是0。若将实验温度升高5 ℃(20 ℃),光合作用的最适温度为25 ℃,光合速率变大,需要的光照强度变大,F为光饱和点,则F点向右移动,原因是温度升高,酶活性增强,光合速率增大。(3)根据以上结果分析,若想要得到更大的草莓,应在25 ℃的温度下(光合速率酶活性最大)栽种草莓,并用X处理草莓的幼果(B组幼果放射性强度高于C组)。
▶角度3 衍生点——植株或叶片密度及布局对光合速率的影响5.(2021山东烟台模拟)科研人员分别在不同时刻对合理密植的玉米田中不同高度处的CO2浓度进行检测,结果如下图所示。下列分析正确的是( )
A.在富含有机肥的农田中,图中C点会右移B.10时,距地面高度越高,光反应强度越大C.夜晚土壤中释放的CO2基本被玉米所固定D.过度密植会导致图中的BD段长度变大
答案 A解析 在富含有机肥的农田中,由于微生物的分解作用,会释放出CO2,故C点将会右移,A项正确;由图中实线可知,上午10时,玉米植株不同高度处的CO2的吸收量不同,高度为B时CO2浓度最低,说明暗反应速率大,则光反应强度大,所以距地面高度越高,光反应强度不一定越大,B项错误;夜晚无光照,不能进行光合作用,故不能固定CO2,C项错误;过度密植会导致光能不能被充分利用,CO2的吸收量减少,图中的BD段长度变小,D项错误。
▶角度4 衍生点——内外因素结合对光合速率的综合影响6.(2021北京石景山模拟)紫叶蔬菜富含花青素。为研究花青素对紫叶芥菜光合作用的影响,研究人员选取长势一致的紫叶芥菜与绿叶芥菜各10株,进行相关参数的测定。(1)显微镜观察发现紫色芥菜的花青素主要分布在叶片的上下表皮细胞内,如图1所示。研究者检测了2种芥菜的花青素和叶绿素含量,得到的结果如下表所示。
①叶绿素存在于芥菜叶肉细胞的 上, 是光合作用 阶段的要素之一。提取和测定叶绿素含量时,通常需要使用无水乙醇,其目的是 。 ②从结果可以看出,两种类型芥菜的 含量无显著差异。如果差异显著,则不能继续研究花青素对芥菜光合作用的影响,理由是 。
(2)进一步研究得出2种芥菜的光合速率随光合有效辐射强度的变化曲线,如图2所示。(注:光合有效辐射强度指太阳辐射中对绿色植物光合作用有效的光谱)
结合上述研究,请推测在相同光合有效辐射强度下,绿色芥菜比紫色芥菜光合速率高的原因是 。
答案 (1)①叶绿体的类囊体薄膜 光反应溶解色素(或溶解叶绿素、光合色素) ②叶绿素 无法排除叶绿素含量对实验结果的影响(或自变量不唯一、不符合单一变量原则) (2)花青素吸收部分光能,导致光合色素吸收的光能减少,直接影响光反应,导致紫色芥菜的光合速率低于能够正常吸收光能的绿色芥菜
解析 (1)①叶绿素属于光合色素,存在于叶绿体的类囊体薄膜上,可以吸收光能,是光合作用光反应阶段的要素之一。由于色素溶于有机溶剂,所以可以使用无水乙醇溶解色素(或溶解叶绿素、光合色素)。②由表格中数据分析可知,两种类型芥菜的叶绿素含量无显著差异。研究花青素对芥菜光合作用的影响,花青素含量是自变量,叶绿素含量属于无关变量,如果叶绿素含量差异明显,则无法排除叶绿素含量对实验结果的影响(或自变量不唯一、不符合单一变量原则)。(2)在叶绿素含量相同的前提下,紫色芥菜的花青素含量高,花青素能吸收部分光能,导致光合色素吸收的光能减少,直接影响光反应,导致紫色芥菜的光合速率低于能够正常吸收光能的绿色芥菜。
题后归纳 细胞中的两种色素
题组二 易错防范——不失分1.真题速览(1)有关细胞呼吸与光合作用应用的正误判断。①[2019全国卷Ⅱ,T2D]马铃薯块茎储藏库中氧气浓度的升高会增加酸味的产生。( )②[2018全国卷Ⅰ,T3B]农田适时松土有利于农作物根细胞对矿质元素的吸收。( )
提示 马铃薯块茎储藏库中氧气浓度的升高会抑制无氧呼吸,减少酸味的产生。
提示 松土会增加土壤中的氧含量,促进根细胞的有氧呼吸,进而产生能量供其吸收矿质元素。
③[2018全国卷Ⅲ,T29节选]通常,与阳生植物相比,阴生植物光合作用吸收与呼吸作用放出的CO2量相等时所需要的光照强度高。( )
提示 通常,与阳生植物相比,阴生植物的光饱和点及光补偿点都比较低,因此阴生植物光合作用吸收CO2量与呼吸作用放出的CO2量相等时所需要的光照强度比阳生植物低。
(2)[2021全国卷乙,T29]生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2,吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题。①白天叶肉细胞产生 ATP的场所有 。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和 释放的CO2。 ②气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式,这种方式既能防止 ,又能保证 正常进行。
细胞质基质、线粒体、(叶绿体的)类囊体薄膜
植物蒸腾作用过强而导致失水过多
③若以pH作为检测指标,请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)
实验思路:植物甲在干旱的环境条件下(其他条件适宜)培养一段时间;分别在白天和晚上测定植物甲液泡内的pH;统计分析实验数据。 预期结果:晚上液泡内的pH明显低于白天。
(3)[2017全国卷Ⅰ,T30]植物的CO2补偿点是指由于CO2的限制,光合速率与呼吸速率相等时环境中的CO2浓度。已知甲种植物的CO2补偿点大于乙种植物的。回答下列问题。①将正常生长的甲、乙两种植物放置在同一密闭小室中,适宜条件下照光培养。培养后发现两种植物的光合速率都降低,原因是 。 甲种植物的净光合速率为0时,乙种植物的净光合速率 (填“大于0”“等于0”或“小于0”)。
植物在光下光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用释放CO2的量,使密闭小室中CO2浓度降低,光合速率也随之下降
②若将甲种植物培养在无O2、但其他条件适宜的密闭小室中,照光培养一段时间后,发现植物的有氧呼吸速率增加,原因是 。
甲种植物在光下进行光合作用释放的O2使密闭小室中的O2含量增加,而O2与有机物分解产生的NADH发生作用形成水是有氧呼吸的一个环节,所以当O2含量增多时,有氧呼吸速率会增加
2.易错辨析有关细胞呼吸、光合作用的正误判断。(1)番茄幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后,光反应强度会降低,暗反应强度也降低。( )(2)可利用低温冷藏蔬菜、水果,也可利用窖藏法储存蔬菜、水果,前者的原理是低温抑制细胞呼吸,后者的原理是CO2浓度高时细胞呼吸受抑制。( )(3)设法提高植物光合速率、降低呼吸速率是农业增产的根本措施。( )
提示 提高农作物产量(光合产量)的根本措施是改变植物的遗传特性(即育种)。
(4)密闭容器中的植物在光补偿点时,叶肉细胞的呼吸速率等于光合速率。( )
提示 放在密闭容器中的植物,当容器内二氧化碳浓度不变时,不要认为此时叶肉细胞二氧化碳的吸收量等于释放量,事实上是整个植株二氧化碳的吸收量与释放量相等。因为植株还有非绿色部分,该部分只能进行细胞呼吸产生二氧化碳,而对于叶肉细胞来说,此时二氧化碳的吸收量大于释放量。
(5)光照面积对光合作用的影响如图:图中显示,叶面积系数大于5后,植物的实际产量达到最大后不再增加。( )
提示 图象分析:OA段表明随叶面积系数的不断增大,实际光合作用量不断增大,A点后,随叶面积系数的增大,实际光合作用量不再增加,原因是随着叶面积系数增大,较多的叶片互相遮挡,叶片实际接受的光照不变。OB段表明干物质量(即净光合量或实际产量)随叶面积系数的增大而增加,而由于A点以后实际光合作用量不再增加,但随叶面积系数的不断增大,叶片呼吸量(OC段)不断增加,所以干物质积累量不断降低(BC段)。
【规律方法】1.控制变量的方法
2.光合速率与呼吸速率三类测定方法(1)方法归纳
在实验操作过程中,无法直接测定植物的总光合速率,因此,常在光照下测定植物净光合速率,在黑暗中测定呼吸速率,两者之和即植物的总光合速率(密闭容器中所检测出的光合作用强度为净光合作用强度)。
(2)液滴移动法分析
特别提醒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。
(3)黑白瓶法分析“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,题中“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:
(4)半叶法——测定光合作用有机物的产生量将叶片一半遮光,一半曝光,遮光的一半测得的数据变化值代表细胞呼吸强度值,曝光的一半测得的数据变化值代表表观(净)光合作用强度值,综合两者可计算出真正(总)光合作用强度值。
【命题趋势】对于光合作用与细胞呼吸相关实验的考查,往往通过创设新的实验情境,来探究相关因素对光合作用、细胞呼吸的影响。在此情境下,考查学生从实验情境中抓取变量等关键信息,对实验过程进行分析,探究变量对实验结果影响的内在原因,最终落脚到考查光合作用、细胞呼吸的本质。
1.(不定项选择)(2021湖南长沙一模)为探究光照强度(其他条件适宜)对植株A光合作用的影响,某兴趣小组设计了图一实验装置若干组,并根据每组的实验结果绘制了图二。下列说法不正确的是( )
A.装置内烧杯中的溶液为水B.用此装置测出的光合速率可能比实际值大C.装置中液滴不移动时表示植株叶肉细胞的光合速率等于呼吸速率D.若将植株A单独放在密闭玻璃罩中,给予图二中D点的光照强度,其他条件都适宜,随着时间的推移,容器中的CO2浓度会逐渐降低
答案 ACD解析 可通过装置测定单位时间内液滴移动的距离来反映植株释放氧气的速率(净光合速率)和消耗氧气的速率(呼吸速率),所以烧杯中的溶液为CO2缓冲液,A项错误;因为没有设置对照组,无法排除物理因素对实验结果的干扰,所以测出的光合速率可能比实际值大,B项正确;液滴不移动时反映植株的净光合速率为零,但叶肉细胞的净光合速率大于零,C项错误;一开始,植株的净光合速率大于零,植物从密闭容器中吸收CO2,导致容器中CO2浓度降低,当光合速率等于呼吸速率时,密闭容器中的CO2浓度不再发生改变,D项错误。
2.(2019全国卷Ⅱ,31)请回答下列与生态系统相关的问题。(1)在森林生态系统中,生产者的能量来自于 ,生产者的能量可以直接流向 (答出2点即可)。 (2)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);剩余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 (1)太阳能 初级消费者、分解者 (2)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 (1)在森林生态系统中,生产者主要是光能自养型的绿色植物,其能量来自太阳能。生产者固定的能量可以通过食物链流向初级消费者,通过枯枝败叶等流向分解者。(2)在不透光的玻璃瓶中,生产者只进行呼吸作用,不进行光合作用。在透光的玻璃瓶中,生产者既进行光合作用,又进行呼吸作用。生产者光合作用的总放氧量=生产者净光合作用的放氧量+生产者呼吸作用的耗氧量。A为水体初始溶氧量,处理后乙瓶中的O2含量(C)与A的差值为生产者净光合作用的放氧量;A与处理后甲瓶中的O2含量(B)的差值为生产者呼吸作用的耗氧量;C与B的差值,即(C-A)+(A-B),表示这段时间内生产者光合作用的总放氧量。
大题分析与表达(一) 细胞代谢类大题突破
【题型突破】[典例](2020山东卷,21)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如下图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是 ,模块3中的甲可与CO2结合,甲为 。 (2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将 (填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是 。 (3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量 (填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是 。 (4)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是 。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低,在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
答案 (1)模块1和模块2 五碳化合物(或C5) (2)减少 模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足 (3)高于 人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或:植物呼吸作用消耗糖类) (4)叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少
答题模板 细胞代谢类试题答题规范
【训练突破】1.某拟南芥变异植株气孔内有一种被称为“PATROL1”的蛋白质,与气孔开闭有关。“PATROL1”能根据周围环境运送一种称为“AHA1”的蛋白质。“AHA1”蛋白质被运送到气孔表面之后,气孔会张开;其被回收到气孔内部之后,气孔会关闭。研究表明,干旱条件下,正常拟南芥气孔开度会减小。请回答下列问题。(1)当变异植株将“AHA1”蛋白质运送到气孔表面之后,其主要通过影响 阶段来影响光合作用速率,干旱环境中“PATROL1”含量较高的植株光反应速率 (填“较高”“较低”或“无明显差异”)。
(2)有研究表明,具有“PATROL1”的拟南芥植株更加适应干旱条件。①根据题意推测,该拟南芥变异植株适应干旱条件的原因是 。 ②请以该种拟南芥植株和普通拟南芥植株为材料,设计一个简单可行的实验来验证该拟南芥变异植株是通过增加气孔开放程度来适应干旱条件的,要求简要写出实验思路。 。
答案 (1)暗反应 较高 (2)①该拟南芥变异植株“PATROL1”运送的“AHA1”蛋白质能够使气孔张开,从而使植株更容易吸收CO2,合成更多有机物,从而适应干旱条件 ②取生理状况相同、数量相等的上述两种拟南介植株,分为两组(一组为具有“PATROL1”的拟南芥植株,另一组为普通拟南芥植株),在相同的干旱条件下(其他条件相同且适宜)培养一段时间后,分别测定两组植株的气孔开放程度和生长发育状况(答案合理即可)
解析 (1)当“AHA1”蛋白质被运送到气孔表面之后,气孔会张开,进入叶肉细胞的CO2会增加,促进暗反应阶段,据此分析可知,干旱环境中“PATROL1”含量较高的植株,光反应速率也会较高。(2)①由题干信息可知,具有“PATROL1”的拟南芥植株的“PATROL1”能根据周围环境运送一种称为“AHA1”的蛋白质,“AHA1”蛋白质被运送到气孔表面之后,气孔会张开,与普通拟南芥植株相比,具有“PATROL1”蛋白质的拟南芥更容易吸收二氧化碳,合成更多有机物,因此具有“PATROL1”蛋白质的拟南芥植株更适应干旱条件。
②该实验目的是验证题述拟南芥变异植株更加适应干旱条件,因此自变量应为植株的种类,因变量可为植株的气孔开放程度和生长发育状况,所以设计实验为:取生理状况相同、数量相等的上述两种拟南芥植株,分为两组(一组为普通拟南芥植株,另一组为具有“PATROL1”的拟南芥植株),两组植株在相同干旱条件下培养,一段时间后,分别测定两组植株的气孔开放程度和生长发育状况。
2.(2021四川成都模拟)某研究小组分别在春季、夏季、秋季、冬季四个季节中测小蓬竹净光合速率日变化情况,结果如图所示。回答下列问题。
(1)植物的净光合速率可以通过测量每秒每平方米叶片 的量得到。若要得到总光合速率的日变化情况,实验思路是 。 (2)小蓬竹夏、秋两季9:00时净光合速率均高于春季,可能是由于夏、秋两季的光照强度更能满足小蓬竹光合作用光反应的需求,为暗反应提供充足的 ;另一原因可能是春季时小蓬竹处于生长初期,叶绿体的数量或叶绿体中的 (填结构)还未完全成熟,所以光合能力相对较弱。
(3)冬季各时刻净光合速率均明显低于其他三个季节,原因可能是 (答出两点),从而导致光合作用能力下降。 (4)据图可知,小蓬竹在 (填季节)和夏季中都出现光合“午休”现象。进一步研究发现,小蓬竹夏季出现光合“午休”现象时,气孔导度下降、净光合速率下降,但胞间CO2浓度却在上升,据此推测小蓬竹夏季出现光合“午休”现象可能的原因是 。
答案 (1)吸收CO2(或释放O2) 测定夏季每个时刻的呼吸速率,将测定的呼吸速率与相应的净光合速率相加,得到总光合速率 (2)[H]和ATP 类囊体薄膜 (3)光照时长短,酶活性降低(答案合理即可) (4)春季、秋季 温度过高,使相关酶的活性降低
解析 依据题意分析可知,曲线表示不同时间植物净光合速率日变化。(1)可以通过测量每秒每平方米叶片吸收CO2(释放O2)的量来得到净光合速率。净光合速率是总光合速率减去呼吸速率的差值,如果要得到总光合速率,还需要测量出每个时刻的呼吸速率并将其与相应的净光合速率相加。(2)当光照强度较大时,光反应会相应增强,为暗反应提供充足的ATP和[H]。叶绿体是进行光合作用的场所,光反应和暗反应分别在叶绿体类囊体薄膜和叶绿体基质中进行,所以题述现象也可能是春季时小蓬竹处于生长初期,叶绿体的数量或叶绿体中的类囊体薄膜还未完全成熟造成的。
(3)冬天温度较低,会使与光合作用相关的酶活性降低,日照时长较短,会降低光照时间,进而影响光合速率。(4)据图可知,净光合速率有先下降后上升趋势的有春季、夏季、秋季,说明这三个季节均出现光合“午休”现象。根据胞间CO2浓度上升可以推测,出现光合“午休”现象的限制因素不是CO2浓度,可能是温度过高影响了与光合作用有关酶的活性。
3.(2021山东潍坊期中)城市小区绿化带植物容易受到建筑物遮阴的困扰。风箱果是珍贵的灌木绿化树种,为研究光照对其的影响,研究人员以1年生风箱果幼苗为研究对象,选取长势一致的幼苗 60株,设置CK(全光)、轻度遮阴L1(60%全光)和重度遮阴L2(20%全光)3种遮阴处理组进行实验。下表所示为遮阴对风箱果幼苗光响应参数的影响,其中表观量子效率反映了叶片利用弱光的能力,其值越大表明植物利用弱光的能力越强。请回答下列问题。
遮阴对风箱果幼苗光合作用光响应参数的影响
(1)本实验的自变量是 ,每组实验的幼苗应为 株。 (2)表中数据显示,风箱果幼苗对遮阴产生了一定的适应性,请推测遮阴条件下细胞呼吸速率降低的意义: 。遮阴组风箱果幼苗的表观量子效率降低,原因是 。 (3)CK组与L2组相比,风箱果幼苗最大实际光合速率的差值为 μml/(m2·s)。在光照强度相对值大于1 066.8时,影响风箱果幼苗光合速率的外界因素主要是 。 (4)请结合实验结果,对生产实践中风箱果幼苗的种植提出合理建议: 。
答案 (1)遮阴程度 20 (2)植物通过减少有机物的消耗,将有机物更多地用于自身生长发育(答案合理即可) 遮阴条件下风箱果幼苗对弱光的利用能力较差,而表观量子效率反映了叶片利用弱光的能力(答案合理即可) (3)12.6 温度和CO2浓度 (4)尽量将其种植在阳光充足的环境中
解析 (1)本实验的目的是研究遮阴对风箱果幼苗光响应参数的影响,故实验的自变量为遮阴程度;实验设计应遵循等量原则,该实验共设置了3组,故每组实验的幼苗应为20株。(2)由表格信息可知,遮阴条件下细胞呼吸速率降低。遮阴条件下,光合速率降低,有机物的合成减少,若此时呼吸速率降低,可减少有机物的消耗,将有机物更多地用于自身的生长发育,这体现了风箱果幼苗对遮阴环境的适应;表观量子效率反映了叶片利用弱光的能力,遮阴条件下,风箱果幼苗利用弱光的能力降低,导致其表观量子效率降低。
考点一 细胞呼吸和光合作用的过程及其相互关系分析
考点二 光合作用与细胞呼吸的影响因素及应用
微专题1 光合作用与细胞呼吸的实验设计
【网络构建 知识串联】
【教材深挖 表达训练】
1.(教材必修1 P94与P103“相关信息”)细胞呼吸产生的[H]与光合作用中的[H]相同吗?为什么?2.(教材必修1 P94“相关信息”改编)等量的葡萄糖无氧呼吸释放的能量为何远远少于有氧呼吸?
提示 不同。细胞呼吸产生的[H]是由氧化型辅酶Ⅰ(NAD+)转化成的还原型辅酶Ⅰ(NADH)。而光合作用中[H]的形成过程实际上是氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)与电子和质子(H+)结合,形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)。
提示 无氧呼吸只在第一阶段释放出少量的能量,生成少量ATP。且没有氧气的参与,葡萄糖等有机物的分解是不彻底的,大部分能量存留在酒精或乳酸中。
3.(教材必修1 P93“正文内容”)肌质体是如何形成的?它的存在有什么意义?4.(教材必修1 P105“正文内容”)硝化细菌如何合成糖类?
提示 硝化细菌能利用无机物氧化时释放出的化学能,将二氧化碳和水合成糖类。
5.(教材必修1 P99“学科交叉”)光合作用能否利用红外光或紫外光?为什么?6.光照停止或减弱,短时间内叶绿体基质中C3、C5和ATP、[H]含量变化情况及其原因是什么?
提示 不能。可见光的波长范围大约是390~760 nm。不同波长的光,颜色不同。波长小于390 nm的光是紫外光;波长大于760 nm的光是红外光。一般情况下,光合作用所利用的光都是可见光。
提示 光照停止或减弱,ATP、[H]的产生减少,C3的还原减少,但CO2供应正常,C3生成量不变,所以短时间内C3含量增加,C5含量减少。
7.突然停止光照后,短暂无光期间,植物体内依旧能生产(CH2O),这是为什么?8.落地生根是一种绿色植物,其与硝化细菌都能将无机物合成有机物,它们在合成有机物时有哪些相同和不同之处?
提示 短暂无光期间,光反应已经产生的[H]和ATP还能继续用于C3的还原。
提示 相同之处:都是利用能量,将CO2和H2O合成(CH2O)。不同之处:能量来源不同,落地生根利用的是光能,而硝化细菌利用的是体外环境中无机物氧化时所释放的化学能。
1.关注细胞呼吸的两个易错点(1)不同生物无氧呼吸的产物不同
(2)线粒体不可以直接分解葡萄糖葡萄糖彻底氧化分解离不开线粒体,但线粒体并不直接分解葡萄糖——葡萄糖必须在细胞质基质中先分解为丙酮酸,丙酮酸再进入线粒体被彻底分解。
2.光合作用与细胞呼吸的过程图解
3.光合作用与细胞呼吸中[H]、ATP来源与去路对比
4.解读总光合速率与呼吸速率的关系(图示)
5.图解四种状况下“光合作用与细胞呼吸”关系
特别提醒光饱和点之前限制因子为光照强度,光饱和点之后限制因子为其他因素,如CO2浓度、矿质离子浓度等。
题组一 精典对练——拿高分▶角度1 考查光合作用与细胞呼吸的过程及产物分析1.(2021全国卷甲,2)某同学将酵母菌接种在马铃薯培养液中进行实验,不可能得到的结果是( )A.该菌在有氧条件下能够繁殖B.该菌在无氧呼吸的过程中无丙酮酸产生C.该菌在无氧条件下能够产生乙醇D.该菌在有氧和无氧条件下都能产生CO2
答案 B解析 酵母菌在有氧条件下进行有氧呼吸,能够进行繁殖,A项不符合题意。酵母菌在无氧呼吸的第一阶段和有氧呼吸的第一阶段都有丙酮酸产生,B项符合题意。酵母菌在无氧条件下进行无氧呼吸产生乙醇和CO2,C项不符合题意。酵母菌在有氧呼吸的第二阶段和无氧呼吸的第二阶段都有CO2产生,D项不符合题意。
2.(不定项选择)(2021湖南湘潭月考)下图是苋菜叶肉细胞光合作用与有氧呼吸过程中的物质变化示意图,其中①②③④表示过程。下列相关叙述正确的是( )A.过程①②③④都有[H]的产生或利用B.过程①②③④在细胞中总是同时进行C.过程④产生的[H]来自水和有机物D.②④分别发生在叶绿体基质和细胞质基质
答案 AC解析 过程①代表光反应阶段水的光解,有[H]的产生;过程②代表暗反应阶段,有[H]的利用;过程③代表有氧呼吸的第三阶段,有[H]的利用;过程④代表有氧呼吸的第一、二阶段,有[H]的产生,A项正确。光合作用的光反应阶段需要光,所以过程①②③④在细胞中不总是同时进行,B项错误。过程④代表有氧呼吸的第一、二阶段,产生的[H]来自水和有机物,C项正确。过程②代表暗反应阶段,发生在叶绿体基质中,过程④代表有氧呼吸的第一、二阶段,发生在细胞质基质和线粒体基质中,D项错误。
题后归纳过程分析两个切入点
▶角度2 结合相关模式图,微观分析光合作用与细胞呼吸过程及内在关系3.(2021江苏南京师大附中期末)下图为某植物叶肉细胞中甲、乙两种细胞器的部分物质及能量代谢途径示意图(NADPH指[H]),请回答下列问题。
(1)甲可以将光能转变为化学能,参与这一过程的两类色素为 。 (2)在甲发育形成过程中,参与光反应中心的蛋白,在细胞质中合成后,转运到甲内,在 (填场所)上组装;核编码的Rubisc(催化CO2固定的酶)小亚基转运到甲内,在 (填场所)中组装。 (3)甲输出的三碳糖在氧气充足的条件下,可被氧化为 后进入乙,继而在乙的 (填场所)中彻底氧化分解成CO2;甲中过多的还原能可通过物质转化,在细胞质中合成NADPH,NADPH中的能量最终可在乙的 (填场所)上转移到ATP中。
答案 (1)叶绿素和类胡萝卜素 (2)类囊体薄膜 叶绿体基质 (3)丙酮酸 基质 内膜解析 (1)叶绿体是光合作用的场所,光反应过程中,叶绿素和类胡萝卜素可以将光能转变为化学能。(2)在叶绿体发育形成过程中,细胞核编码的参与光反应中心的蛋白,在细胞质中合成后,转运到叶绿体内。由于光反应发生在类囊体薄膜上,因此该蛋白质在类囊体薄膜上组装;CO2的固定属于暗反应,暗反应发生在叶绿体基质中,因此核编码的Rubisc(催化CO2固定的酶)小亚基转运到叶绿体内,在叶绿体基质中组装。(3)叶绿体输出的三碳化合物在氧气充足的条件下,可被氧化为丙酮酸后进入线粒体中,被进一步氧化分解,有氧呼吸第二阶段中丙酮酸和水分解产生CO2和[H],该阶段发生在线粒体基质中;根据图分析,叶绿体中过多的还原能可通过物质转化,在细胞质中合成NADPH,NADPH中的能量最终在线粒体的内膜上转移到ATP中。
题后归纳细胞代谢审题“两个不等于”
▶角度3 衍生点——光合作用探究历程4.阅读光合作用探究过程,回答下列问题。资料一 1939年,希尔在分离的叶绿体(实际是被膜破裂的叶绿体)悬浮液中,加入适当的电子受体(如草酸铁),照光时可使水分解而释放氧气。资料二 20世纪40年代,卡尔文及其同事,将小球藻装在一个密闭容器中,向其中通入14CO2,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5 s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中。
资料三 1957年,阿尔农发现,光使叶绿素从水中得到电子,电子传递过程中与希尔反应偶联,形成还原型辅酶Ⅱ,放氧,同时产生ATP,这一过程称为非循环光合磷酸化。
(1)希尔反应模拟了叶绿体光合作用中 阶段的部分变化。光合作用的总反应式是 。 (2)光合作用过程中,具有光化学活性,既是光能的捕捉器,又是光能的转换器的色素是 。光能首先转变为高能电子,然后转变为 和 中活跃的化学能,最后转变为糖类等有机物中的 。
(3)卡尔文通过改变实验条件来探究光合作用过程中固定CO2的化合物,他改变的实验条件是 ;这时他发现14C标记的C5的含量快速升高,由此得出固定CO2的物质是C5。卡尔文循环中C的转移路径是 。 (4)上述实验中,卡尔文将不同反应条件下的小球藻放入70 ℃的热酒精中,从而使酶失活,细胞中的化合物就保持在热处理之前的反应状态。利用不同化合物在层析液中的溶解度不同,分离出各种化合物。卡尔文在光合作用研究中采用了 和 等技术方法。
答案 (1)光反应 6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O (2)部分特殊状态的叶绿素a ATP [H] 稳定的化学能 (3)停止供应CO2,向密闭容器中通入14CO2 (4)同位素标记法 纸层析法
解析 (1)根据资料一可知,照光时可使水分解而释放氧气,说明希尔反应模拟了叶绿体光合作用中光反应阶段的部分变化。光合作用的总反应式是6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O。(2)部分特殊状态的叶绿素a既是光能的捕捉器,又是光能的转换器。光反应阶段,光能首先转变为高能电子,然后转变为ATP和[H]中活跃的化学能,在暗反应阶段转变为糖类等有机物中的稳定的化学能。
(3)卡尔文通过改变实验条件来探究光合作用过程中固定CO2的化合物,他改变的实验条件是停止供应CO2;向密闭容器中通入14CO2,当将反应进行到0.5 s时,14C 出现在一种三碳化合物(C3)中,当反应进行到5 s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,这说明CO2中C的转移路径是 。(4)根据题述实验信息,卡尔文在光合作用研究中采用了同位素标记法和纸层析法等技术方法。
▶角度4 衍生点——考查特殊条件下的光合作用与细胞呼吸5.(2021山东潍坊一模)景天科植物具有独特的昼夜节律,在晚上,植物体内苹果酸含量升高,糖分含量下降;白天则相反,酸度下降,糖分增多;相应的代谢途径被称为CAM途径,具有此类代谢途径的植物称为CAM植物。图1为一昼夜大叶落叶生根(一种CAM植物)CO2吸收速率变化情况,图2为相同时间段内该植物净光合速率的变化情况。
(1)据图推测,CAM植物的气孔在 (填“白天”或“晚上”)开放,细胞中 很可能是临时储存CO2的载体。 (2)研究发现,CAM植物细胞中的CO2最早被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) 固定,生成草酰乙酸(OAA),再进一步被还原并大量积累于液泡中。为保证CAM途径的持续进行,物质 (填英文字母简称)应通过一定化学反应不断重新生成并释放到细胞质中。该途径可通过 法追踪C元素的转移路径加以证实。 (3)分析图中信息推测,CAM途径是对 (填“干旱”或“湿润”)环境的适应;该途径除维持光合作用外,对植物的生理意义还表现在 。 (4)假设昼夜温度不变,若要利用图2信息计算大叶落叶生根上午10时的实际光合速率,计算的思路是 。
答案 (1)晚上 苹果酸 (2)PEP 同位素标记 (3)干旱 有效避免白天旺盛的蒸腾作用造成的水分散失过多 (4)将晚上的呼吸速率与上午10时的净光合速率相加即为上午10时的实际光合速率
6.科学研究发现,在光照、高氧和低CO2情况下,叶肉细胞在进行光合作用的同时会发生“光呼吸”作用,它是植物进行光合作用时发生的一个损耗能量的副反应。即Rubisc催化C5与CO2结合生成C3的同时,还可以催化C5与O2结合,形成一个同样的C3和另一个C2,C2可参与线粒体的有氧呼吸,其部分中间产物经ATP和[H]还原转变成C3参与暗反应,过程如图甲所示。在图乙实验装置中,已知通过配制不同浓度CO2缓冲液X可以调节并维持空气中不同浓度的CO2,而空气中的CO2浓度可以通过CO2浓度感应器测定。
(1)据图可知,光呼吸与光合作用都以 为原料,但光合作用在 阶段实现了该物质的再生,而光呼吸最终将该物质彻底氧化分解并产生 。 (2)据图甲分析,Rubisc发挥作用的场所是 ,图中ATP的水解与细胞内的 (填“吸能”或“放能”)反应相联系。 (3)已知ATP和[H]的积累会对叶绿体造成伤害,依据图甲信息,解释植物在干旱天气和过强光照下,光呼吸的积极意义是 。 (4)利用图乙装置,提供高氧和低浓度CO2环境,给予一定光照,发现红色液滴向左移动,结合图甲信息,分析液滴向左移动的具体原因是 。
答案 (1)五碳化合物(或C5) 暗反应 CO2 (2)叶绿体基质 吸能 (3)可以消耗多余的[H]和ATP,对细胞起到保护作用 (4)光呼吸消耗了装置中的O2解析 (1)据图可知,光呼吸与光合作用都以C5为原料,但光合作用在暗反应阶段重新生成了C5,而光呼吸最终将该物质彻底氧化分解并产生CO2。(2)图甲显示,Rubisc既能催化C5和CO2反应,又能催化C5和O2反应,由光合作用的过程可推测,Rubisc发挥作用的场所是叶绿体基质,ATP的水解过程释放能量,故与细胞内的吸能反应相联系。
(3)在干旱天气和过强光照下,植物的自我适应性调节会导致气孔关闭,气孔关闭引起CO2供应不足,会导致C3生成减少,进而引起[H]和ATP的消耗减少,造成[H]和ATP在叶绿体内积累,对叶绿体造成伤害,而“光呼吸”作用可以消耗多余的[H]和ATP,对细胞起到保护作用。(4)利用图乙装置,提供高氧和低浓度CO2环境,并给予一定光照条件,此时装置中的植物可进行光呼吸作用,结合图甲可知,光呼吸过程中消耗O2并释放出CO2,而装置乙中的CO2缓冲液X可以维持CO2浓度的稳定,因此引起液滴移动的原因是O2浓度的变化,红色液滴向左移动,说明光呼吸消耗了装置中的O2。
题后拓展光呼吸与细胞呼吸的异同
题组二 易错防范——不失分1.真题速览(1)有关细胞呼吸的正误判断。①[2021全国卷乙,T3C]细胞的有氧呼吸过程不消耗水但能产生水。( )②[2020浙江7月选考,T6D]若适当提高苹果果实贮藏环境中的O2浓度会增加酒精的生成量。( )③[2020浙江7月选考,T6C]细胞的有氧呼吸与无氧呼吸过程中都会产生丙酮酸。( )
提示 细胞有氧呼吸过程既消耗水,也产生水。
提示 适当提高环境中的O2浓度会抑制无氧呼吸,产生的酒精量会减少。
④[2020江苏卷,T3A]根据细胞代谢需要,线粒体可在细胞质基质中移动和增殖。( )⑤[2019全国卷Ⅱ,T2A]马铃薯块茎细胞无氧呼吸的产物是乳酸和葡萄糖。( )⑥[2018全国卷Ⅱ,T4C]与风干前相比,风干种子中细胞呼吸作用的强度高。( )
提示 马铃薯块茎无氧呼吸的产物为乳酸。
提示 风干种子因缺乏自由水,细胞呼吸更弱。
⑦[2018全国卷Ⅱ,T5B]食物链上传递的能量有一部分通过细胞呼吸散失。( )⑧[2018全国卷Ⅲ,T5C]人体有氧呼吸和无氧呼吸的产物分别是葡萄糖和乳酸。( )
提示 人体有氧呼吸的产物为CO2和H2O。
(2)有关光合作用的正误判断。①[2021浙江1月选考,T3D]在高倍镜下可观察到叶绿体的基粒由类囊体堆叠而成。( )②[2018海南卷,T4改编]高等植物细胞中,光合作用中的光反应只发生在生物膜上。( )
提示 需使用电子显微镜才能观察到叶绿体类囊体结构。
③[2017全国卷Ⅲ,T3B]叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制。( )④[2017全国卷Ⅲ,T3A]类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成。( )
提示 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
2.易错辨析(1)有关细胞呼吸的正误判断。①植物细胞在白天和黑夜都能进行有氧呼吸。( )②乳酸菌无氧呼吸的第二阶段需要ATP水解提供能量。( )③若产物中有H2O,则存在有氧呼吸;若产物中有酒精或乳酸,则存在无氧呼吸。( )④若细胞既不吸收O2也不释放CO2,说明细胞已停止无氧呼吸。( )⑤重铬酸钾溶液在酸性条件下与酒精发生化学反应,由橙色变成灰绿色。( )
提示 乳酸菌无氧呼吸的第二阶段不产生ATP,也不消耗ATP。
提示 细胞可能进行产生乳酸的无氧呼吸。
(2)有关光合作用的正误判断。①水在叶绿体中分解产生氧气需要ATP提供能量。( )②CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为C3中的化学能。( )③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NADPH/NADP+比值下降。( )④用水作层析液观察花青苷的色素带。( )⑤叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中。( )
提示 水在叶绿体中分解所需能量来自叶绿体吸收的光能。
提示 CO2的固定过程不消耗ATP。
易错点拨有关光合作用、细胞呼吸的三个易错点
1.影响植物细胞呼吸速率的内因和外因
2.掌握影响细胞呼吸的“四类”曲线
特别提示储存干种子与鲜果蔬的条件不完全相同
3.影响光合速率的内因和外因
4.影响光合作用三大因素的曲线模型解读
5.开放与密闭的环境中,一昼夜CO2含量的变化曲线分析(实线为密闭环境,虚线为开放环境)
注:若此图改为“O2含量”,则N与M的高低与植物生长的关系正好与CO2相反。
题组一 精典对练——拿高分▶角度1 细胞呼吸的影响因素及应用1.(2021湖南卷,12)下列有关细胞呼吸原理应用的叙述,错误的是( )A.南方稻区早稻浸种后催芽过程中,常用40 ℃左右温水淋种并时常翻种,可以为种子的细胞呼吸提供水分、适宜的温度和氧气B.农作物种子入库贮藏时,在无氧和低温条件下呼吸速率降低,贮藏寿命显著延长C.油料作物种子播种时宜浅播,原因是萌发时细胞呼吸需要大量氧气D.柑橘在塑料袋中密封保存,可以减少水分散失、降低呼吸速率,起到保鲜作用
答案 B解析 南方稻区早稻浸种后催芽过程中,“常用40 ℃左右温水淋种”可以为种子的细胞呼吸提供水分和适宜的温度,“时常翻种”可以为种子的细胞呼吸提供氧气,A项正确;种子无氧呼吸会产生酒精,因此,农作物种子入库储藏时,应在低氧和零上低温条件下保存,贮藏寿命会显著延长,B项错误;油料作物种子中含有大量脂肪,脂肪中C、H含量高,O含量低,油料作物种子萌发时细胞呼吸需要消耗大量氧气,因此,油料作物种子播种时宜浅播,C项正确;柑橘在塑料袋中“密封保存”使水分散失减少,氧气浓度降低,从而降低了呼吸速率,低氧、一定湿度是新鲜水果保存的适宜条件,D项正确。
2.将江苏某地当年收获的小麦秸秆剪成小段,于7月20日开始分别进行露天堆放、水泡和土埋3种方式处理,3次重复,每隔15 d检测一次秸秆腐解残留量,结果见下图。下列分析合理的是( )
A.秸秆还田后翻耕土埋主要利用了土壤中尿素细菌的呼吸作用原理B.土壤中的空气和水分条件有利于多种微生物对秸秆的分解C.如果将开始处理的时间提早30 d,则3条曲线的位置将呈现上移趋势D.从堆放、水泡2条曲线可以推测,好氧性微生物分解能力高于厌氧性微生物
答案 B解析 从环境条件分析,露天堆放会导致水分不足,水泡处理会导致氧气不足,土埋处理时,空气和水分条件有利于多种微生物对秸秆的分解,但参与秸秆分解的应主要是纤维素分解菌而不是“尿素细菌”;如果将开始处理的时间提早30 d,因气温较高,微生物分解活动强,则3条曲线的位置将呈现下移趋势;从堆放、水泡2条曲线可推测,好氧性微生物分解能力低于厌氧性微生物。
▶角度2 光合作用的影响因素及应用3.(2021湖南卷,7)绿色植物的光合作用是在叶绿体内进行的一系列能量和物质转化过程。下列叙述错误的是( )A.弱光条件下植物没有O2的释放,说明未进行光合作用B.在暗反应阶段,CO2不能直接被还原C.在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗,叶片的光合速率会暂时下降D.合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度
答案 A解析 弱光条件下植物没有O2的释放,有可能是光合作用强度小于或等于细胞呼吸强度,光合作用产生的O2被呼吸作用消耗完,此时植物虽然进行了光合作用,但是没有O2的释放,A项错误;CO2性质不活泼,在暗反应阶段,一个CO2分子被一个C5分子固定以后,很快形成两个C3分子,在有关酶的催化作用下,C3接受ATP释放的能量并且被[H]还原,因此CO2不能直接被还原,B项正确;在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗,光合作用产物输出受阻,叶片的光合速率会暂时下降,C项正确;合理密植可以充分利用光照,增施有机肥可以为植物提供矿质元素和CO2,这些措施均能提高农作物的光合作用强度,D项正确。
4.(2021山东烟台模拟)图甲表示在适宜条件下,向密闭温室中充入一定量14CO2后,草莓叶片、茎、果实的放射性含量随时间变化的曲线。已知某药物X能够调控光合产物在植物不同器官中的分配,某课题组对草莓分组并进行相应的处理,一昼夜后,给草莓提供标记的CO2,24 h后获得实验结果如图乙所示。图丙是该课题小组在15 ℃条件下以草莓为材料进行研究得到的实验结果(光合作用的最适温度为25 ℃,细胞呼吸的最适温度为30 ℃)。
(1)14CO2进入叶肉细胞后用于合成光合产物,该过程中14C的转移途径为 (用化学式和箭头表示)。由图甲可知,有机物在草莓各器官间的转移路径为 ,据图乙实验结果推测,在果实刚形成时,用X处理草莓全株 (填“会”或“不会”)明显减弱草莓的光合速率。 (2)由图丙可知,本实验的目的是研究 。光照强度为E时,草莓的净光合速率是 。若将实验温度升高5 ℃,则F点向 (填“左”“右”或“不”)移动,原因是 。 (3)根据以上结果分析,若想要得到更大的草莓,应在 的温度下栽种草莓,并用X处理草莓的 (填“幼果”或“全株”)。
答案 (1)14CO2→14C3→(14CH2O) 叶片→茎→果实 不会 (2)光照强度对光合速率和呼吸速率的影响 0 右 温度升高,酶活性增强,光合速率增大 (3)25 ℃(最适) 幼果
解析 (1)14CO2进入叶肉细胞后用于合成光合产物,先参与暗反应中CO2的固定生成C3,再被还原生成糖类,因此该过程中14C的转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O)。 由图甲可知,放射性先后出现在叶片→茎→果实中,因此有机物在草莓各器官间的转移路径为叶片→茎→果实。据图乙实验结果推测,在果实刚形成时(幼果),用X处理草莓全株,A组放射性强度与对照组相同,因此不会明显减弱草莓的光合速率。(2)由图丙可知,横坐标为光照强度,曲线为光合速率和呼吸速率,因此本实验的目的是研究光照强度对光合速率和呼吸速率的影响。光照强度为E时,光合速率与呼吸速率相等,草莓的净光合速率是0。若将实验温度升高5 ℃(20 ℃),光合作用的最适温度为25 ℃,光合速率变大,需要的光照强度变大,F为光饱和点,则F点向右移动,原因是温度升高,酶活性增强,光合速率增大。(3)根据以上结果分析,若想要得到更大的草莓,应在25 ℃的温度下(光合速率酶活性最大)栽种草莓,并用X处理草莓的幼果(B组幼果放射性强度高于C组)。
▶角度3 衍生点——植株或叶片密度及布局对光合速率的影响5.(2021山东烟台模拟)科研人员分别在不同时刻对合理密植的玉米田中不同高度处的CO2浓度进行检测,结果如下图所示。下列分析正确的是( )
A.在富含有机肥的农田中,图中C点会右移B.10时,距地面高度越高,光反应强度越大C.夜晚土壤中释放的CO2基本被玉米所固定D.过度密植会导致图中的BD段长度变大
答案 A解析 在富含有机肥的农田中,由于微生物的分解作用,会释放出CO2,故C点将会右移,A项正确;由图中实线可知,上午10时,玉米植株不同高度处的CO2的吸收量不同,高度为B时CO2浓度最低,说明暗反应速率大,则光反应强度大,所以距地面高度越高,光反应强度不一定越大,B项错误;夜晚无光照,不能进行光合作用,故不能固定CO2,C项错误;过度密植会导致光能不能被充分利用,CO2的吸收量减少,图中的BD段长度变小,D项错误。
▶角度4 衍生点——内外因素结合对光合速率的综合影响6.(2021北京石景山模拟)紫叶蔬菜富含花青素。为研究花青素对紫叶芥菜光合作用的影响,研究人员选取长势一致的紫叶芥菜与绿叶芥菜各10株,进行相关参数的测定。(1)显微镜观察发现紫色芥菜的花青素主要分布在叶片的上下表皮细胞内,如图1所示。研究者检测了2种芥菜的花青素和叶绿素含量,得到的结果如下表所示。
①叶绿素存在于芥菜叶肉细胞的 上, 是光合作用 阶段的要素之一。提取和测定叶绿素含量时,通常需要使用无水乙醇,其目的是 。 ②从结果可以看出,两种类型芥菜的 含量无显著差异。如果差异显著,则不能继续研究花青素对芥菜光合作用的影响,理由是 。
(2)进一步研究得出2种芥菜的光合速率随光合有效辐射强度的变化曲线,如图2所示。(注:光合有效辐射强度指太阳辐射中对绿色植物光合作用有效的光谱)
结合上述研究,请推测在相同光合有效辐射强度下,绿色芥菜比紫色芥菜光合速率高的原因是 。
答案 (1)①叶绿体的类囊体薄膜 光反应溶解色素(或溶解叶绿素、光合色素) ②叶绿素 无法排除叶绿素含量对实验结果的影响(或自变量不唯一、不符合单一变量原则) (2)花青素吸收部分光能,导致光合色素吸收的光能减少,直接影响光反应,导致紫色芥菜的光合速率低于能够正常吸收光能的绿色芥菜
解析 (1)①叶绿素属于光合色素,存在于叶绿体的类囊体薄膜上,可以吸收光能,是光合作用光反应阶段的要素之一。由于色素溶于有机溶剂,所以可以使用无水乙醇溶解色素(或溶解叶绿素、光合色素)。②由表格中数据分析可知,两种类型芥菜的叶绿素含量无显著差异。研究花青素对芥菜光合作用的影响,花青素含量是自变量,叶绿素含量属于无关变量,如果叶绿素含量差异明显,则无法排除叶绿素含量对实验结果的影响(或自变量不唯一、不符合单一变量原则)。(2)在叶绿素含量相同的前提下,紫色芥菜的花青素含量高,花青素能吸收部分光能,导致光合色素吸收的光能减少,直接影响光反应,导致紫色芥菜的光合速率低于能够正常吸收光能的绿色芥菜。
题后归纳 细胞中的两种色素
题组二 易错防范——不失分1.真题速览(1)有关细胞呼吸与光合作用应用的正误判断。①[2019全国卷Ⅱ,T2D]马铃薯块茎储藏库中氧气浓度的升高会增加酸味的产生。( )②[2018全国卷Ⅰ,T3B]农田适时松土有利于农作物根细胞对矿质元素的吸收。( )
提示 马铃薯块茎储藏库中氧气浓度的升高会抑制无氧呼吸,减少酸味的产生。
提示 松土会增加土壤中的氧含量,促进根细胞的有氧呼吸,进而产生能量供其吸收矿质元素。
③[2018全国卷Ⅲ,T29节选]通常,与阳生植物相比,阴生植物光合作用吸收与呼吸作用放出的CO2量相等时所需要的光照强度高。( )
提示 通常,与阳生植物相比,阴生植物的光饱和点及光补偿点都比较低,因此阴生植物光合作用吸收CO2量与呼吸作用放出的CO2量相等时所需要的光照强度比阳生植物低。
(2)[2021全国卷乙,T29]生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2,吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中;白天气孔关闭,液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题。①白天叶肉细胞产生 ATP的场所有 。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和 释放的CO2。 ②气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式,这种方式既能防止 ,又能保证 正常进行。
细胞质基质、线粒体、(叶绿体的)类囊体薄膜
植物蒸腾作用过强而导致失水过多
③若以pH作为检测指标,请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)
实验思路:植物甲在干旱的环境条件下(其他条件适宜)培养一段时间;分别在白天和晚上测定植物甲液泡内的pH;统计分析实验数据。 预期结果:晚上液泡内的pH明显低于白天。
(3)[2017全国卷Ⅰ,T30]植物的CO2补偿点是指由于CO2的限制,光合速率与呼吸速率相等时环境中的CO2浓度。已知甲种植物的CO2补偿点大于乙种植物的。回答下列问题。①将正常生长的甲、乙两种植物放置在同一密闭小室中,适宜条件下照光培养。培养后发现两种植物的光合速率都降低,原因是 。 甲种植物的净光合速率为0时,乙种植物的净光合速率 (填“大于0”“等于0”或“小于0”)。
植物在光下光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用释放CO2的量,使密闭小室中CO2浓度降低,光合速率也随之下降
②若将甲种植物培养在无O2、但其他条件适宜的密闭小室中,照光培养一段时间后,发现植物的有氧呼吸速率增加,原因是 。
甲种植物在光下进行光合作用释放的O2使密闭小室中的O2含量增加,而O2与有机物分解产生的NADH发生作用形成水是有氧呼吸的一个环节,所以当O2含量增多时,有氧呼吸速率会增加
2.易错辨析有关细胞呼吸、光合作用的正误判断。(1)番茄幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后,光反应强度会降低,暗反应强度也降低。( )(2)可利用低温冷藏蔬菜、水果,也可利用窖藏法储存蔬菜、水果,前者的原理是低温抑制细胞呼吸,后者的原理是CO2浓度高时细胞呼吸受抑制。( )(3)设法提高植物光合速率、降低呼吸速率是农业增产的根本措施。( )
提示 提高农作物产量(光合产量)的根本措施是改变植物的遗传特性(即育种)。
(4)密闭容器中的植物在光补偿点时,叶肉细胞的呼吸速率等于光合速率。( )
提示 放在密闭容器中的植物,当容器内二氧化碳浓度不变时,不要认为此时叶肉细胞二氧化碳的吸收量等于释放量,事实上是整个植株二氧化碳的吸收量与释放量相等。因为植株还有非绿色部分,该部分只能进行细胞呼吸产生二氧化碳,而对于叶肉细胞来说,此时二氧化碳的吸收量大于释放量。
(5)光照面积对光合作用的影响如图:图中显示,叶面积系数大于5后,植物的实际产量达到最大后不再增加。( )
提示 图象分析:OA段表明随叶面积系数的不断增大,实际光合作用量不断增大,A点后,随叶面积系数的增大,实际光合作用量不再增加,原因是随着叶面积系数增大,较多的叶片互相遮挡,叶片实际接受的光照不变。OB段表明干物质量(即净光合量或实际产量)随叶面积系数的增大而增加,而由于A点以后实际光合作用量不再增加,但随叶面积系数的不断增大,叶片呼吸量(OC段)不断增加,所以干物质积累量不断降低(BC段)。
【规律方法】1.控制变量的方法
2.光合速率与呼吸速率三类测定方法(1)方法归纳
在实验操作过程中,无法直接测定植物的总光合速率,因此,常在光照下测定植物净光合速率,在黑暗中测定呼吸速率,两者之和即植物的总光合速率(密闭容器中所检测出的光合作用强度为净光合作用强度)。
(2)液滴移动法分析
特别提醒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。
(3)黑白瓶法分析“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,题中“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:
(4)半叶法——测定光合作用有机物的产生量将叶片一半遮光,一半曝光,遮光的一半测得的数据变化值代表细胞呼吸强度值,曝光的一半测得的数据变化值代表表观(净)光合作用强度值,综合两者可计算出真正(总)光合作用强度值。
【命题趋势】对于光合作用与细胞呼吸相关实验的考查,往往通过创设新的实验情境,来探究相关因素对光合作用、细胞呼吸的影响。在此情境下,考查学生从实验情境中抓取变量等关键信息,对实验过程进行分析,探究变量对实验结果影响的内在原因,最终落脚到考查光合作用、细胞呼吸的本质。
1.(不定项选择)(2021湖南长沙一模)为探究光照强度(其他条件适宜)对植株A光合作用的影响,某兴趣小组设计了图一实验装置若干组,并根据每组的实验结果绘制了图二。下列说法不正确的是( )
A.装置内烧杯中的溶液为水B.用此装置测出的光合速率可能比实际值大C.装置中液滴不移动时表示植株叶肉细胞的光合速率等于呼吸速率D.若将植株A单独放在密闭玻璃罩中,给予图二中D点的光照强度,其他条件都适宜,随着时间的推移,容器中的CO2浓度会逐渐降低
答案 ACD解析 可通过装置测定单位时间内液滴移动的距离来反映植株释放氧气的速率(净光合速率)和消耗氧气的速率(呼吸速率),所以烧杯中的溶液为CO2缓冲液,A项错误;因为没有设置对照组,无法排除物理因素对实验结果的干扰,所以测出的光合速率可能比实际值大,B项正确;液滴不移动时反映植株的净光合速率为零,但叶肉细胞的净光合速率大于零,C项错误;一开始,植株的净光合速率大于零,植物从密闭容器中吸收CO2,导致容器中CO2浓度降低,当光合速率等于呼吸速率时,密闭容器中的CO2浓度不再发生改变,D项错误。
2.(2019全国卷Ⅱ,31)请回答下列与生态系统相关的问题。(1)在森林生态系统中,生产者的能量来自于 ,生产者的能量可以直接流向 (答出2点即可)。 (2)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);剩余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 (1)太阳能 初级消费者、分解者 (2)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 (1)在森林生态系统中,生产者主要是光能自养型的绿色植物,其能量来自太阳能。生产者固定的能量可以通过食物链流向初级消费者,通过枯枝败叶等流向分解者。(2)在不透光的玻璃瓶中,生产者只进行呼吸作用,不进行光合作用。在透光的玻璃瓶中,生产者既进行光合作用,又进行呼吸作用。生产者光合作用的总放氧量=生产者净光合作用的放氧量+生产者呼吸作用的耗氧量。A为水体初始溶氧量,处理后乙瓶中的O2含量(C)与A的差值为生产者净光合作用的放氧量;A与处理后甲瓶中的O2含量(B)的差值为生产者呼吸作用的耗氧量;C与B的差值,即(C-A)+(A-B),表示这段时间内生产者光合作用的总放氧量。
大题分析与表达(一) 细胞代谢类大题突破
【题型突破】[典例](2020山东卷,21)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如下图所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是 ,模块3中的甲可与CO2结合,甲为 。 (2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将 (填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是 。 (3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量 (填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是 。 (4)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是 。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低,在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
答案 (1)模块1和模块2 五碳化合物(或C5) (2)减少 模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足 (3)高于 人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或:植物呼吸作用消耗糖类) (4)叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少
答题模板 细胞代谢类试题答题规范
【训练突破】1.某拟南芥变异植株气孔内有一种被称为“PATROL1”的蛋白质,与气孔开闭有关。“PATROL1”能根据周围环境运送一种称为“AHA1”的蛋白质。“AHA1”蛋白质被运送到气孔表面之后,气孔会张开;其被回收到气孔内部之后,气孔会关闭。研究表明,干旱条件下,正常拟南芥气孔开度会减小。请回答下列问题。(1)当变异植株将“AHA1”蛋白质运送到气孔表面之后,其主要通过影响 阶段来影响光合作用速率,干旱环境中“PATROL1”含量较高的植株光反应速率 (填“较高”“较低”或“无明显差异”)。
(2)有研究表明,具有“PATROL1”的拟南芥植株更加适应干旱条件。①根据题意推测,该拟南芥变异植株适应干旱条件的原因是 。 ②请以该种拟南芥植株和普通拟南芥植株为材料,设计一个简单可行的实验来验证该拟南芥变异植株是通过增加气孔开放程度来适应干旱条件的,要求简要写出实验思路。 。
答案 (1)暗反应 较高 (2)①该拟南芥变异植株“PATROL1”运送的“AHA1”蛋白质能够使气孔张开,从而使植株更容易吸收CO2,合成更多有机物,从而适应干旱条件 ②取生理状况相同、数量相等的上述两种拟南介植株,分为两组(一组为具有“PATROL1”的拟南芥植株,另一组为普通拟南芥植株),在相同的干旱条件下(其他条件相同且适宜)培养一段时间后,分别测定两组植株的气孔开放程度和生长发育状况(答案合理即可)
解析 (1)当“AHA1”蛋白质被运送到气孔表面之后,气孔会张开,进入叶肉细胞的CO2会增加,促进暗反应阶段,据此分析可知,干旱环境中“PATROL1”含量较高的植株,光反应速率也会较高。(2)①由题干信息可知,具有“PATROL1”的拟南芥植株的“PATROL1”能根据周围环境运送一种称为“AHA1”的蛋白质,“AHA1”蛋白质被运送到气孔表面之后,气孔会张开,与普通拟南芥植株相比,具有“PATROL1”蛋白质的拟南芥更容易吸收二氧化碳,合成更多有机物,因此具有“PATROL1”蛋白质的拟南芥植株更适应干旱条件。
②该实验目的是验证题述拟南芥变异植株更加适应干旱条件,因此自变量应为植株的种类,因变量可为植株的气孔开放程度和生长发育状况,所以设计实验为:取生理状况相同、数量相等的上述两种拟南芥植株,分为两组(一组为普通拟南芥植株,另一组为具有“PATROL1”的拟南芥植株),两组植株在相同干旱条件下培养,一段时间后,分别测定两组植株的气孔开放程度和生长发育状况。
2.(2021四川成都模拟)某研究小组分别在春季、夏季、秋季、冬季四个季节中测小蓬竹净光合速率日变化情况,结果如图所示。回答下列问题。
(1)植物的净光合速率可以通过测量每秒每平方米叶片 的量得到。若要得到总光合速率的日变化情况,实验思路是 。 (2)小蓬竹夏、秋两季9:00时净光合速率均高于春季,可能是由于夏、秋两季的光照强度更能满足小蓬竹光合作用光反应的需求,为暗反应提供充足的 ;另一原因可能是春季时小蓬竹处于生长初期,叶绿体的数量或叶绿体中的 (填结构)还未完全成熟,所以光合能力相对较弱。
(3)冬季各时刻净光合速率均明显低于其他三个季节,原因可能是 (答出两点),从而导致光合作用能力下降。 (4)据图可知,小蓬竹在 (填季节)和夏季中都出现光合“午休”现象。进一步研究发现,小蓬竹夏季出现光合“午休”现象时,气孔导度下降、净光合速率下降,但胞间CO2浓度却在上升,据此推测小蓬竹夏季出现光合“午休”现象可能的原因是 。
答案 (1)吸收CO2(或释放O2) 测定夏季每个时刻的呼吸速率,将测定的呼吸速率与相应的净光合速率相加,得到总光合速率 (2)[H]和ATP 类囊体薄膜 (3)光照时长短,酶活性降低(答案合理即可) (4)春季、秋季 温度过高,使相关酶的活性降低
解析 依据题意分析可知,曲线表示不同时间植物净光合速率日变化。(1)可以通过测量每秒每平方米叶片吸收CO2(释放O2)的量来得到净光合速率。净光合速率是总光合速率减去呼吸速率的差值,如果要得到总光合速率,还需要测量出每个时刻的呼吸速率并将其与相应的净光合速率相加。(2)当光照强度较大时,光反应会相应增强,为暗反应提供充足的ATP和[H]。叶绿体是进行光合作用的场所,光反应和暗反应分别在叶绿体类囊体薄膜和叶绿体基质中进行,所以题述现象也可能是春季时小蓬竹处于生长初期,叶绿体的数量或叶绿体中的类囊体薄膜还未完全成熟造成的。
(3)冬天温度较低,会使与光合作用相关的酶活性降低,日照时长较短,会降低光照时间,进而影响光合速率。(4)据图可知,净光合速率有先下降后上升趋势的有春季、夏季、秋季,说明这三个季节均出现光合“午休”现象。根据胞间CO2浓度上升可以推测,出现光合“午休”现象的限制因素不是CO2浓度,可能是温度过高影响了与光合作用有关酶的活性。
3.(2021山东潍坊期中)城市小区绿化带植物容易受到建筑物遮阴的困扰。风箱果是珍贵的灌木绿化树种,为研究光照对其的影响,研究人员以1年生风箱果幼苗为研究对象,选取长势一致的幼苗 60株,设置CK(全光)、轻度遮阴L1(60%全光)和重度遮阴L2(20%全光)3种遮阴处理组进行实验。下表所示为遮阴对风箱果幼苗光响应参数的影响,其中表观量子效率反映了叶片利用弱光的能力,其值越大表明植物利用弱光的能力越强。请回答下列问题。
遮阴对风箱果幼苗光合作用光响应参数的影响
(1)本实验的自变量是 ,每组实验的幼苗应为 株。 (2)表中数据显示,风箱果幼苗对遮阴产生了一定的适应性,请推测遮阴条件下细胞呼吸速率降低的意义: 。遮阴组风箱果幼苗的表观量子效率降低,原因是 。 (3)CK组与L2组相比,风箱果幼苗最大实际光合速率的差值为 μml/(m2·s)。在光照强度相对值大于1 066.8时,影响风箱果幼苗光合速率的外界因素主要是 。 (4)请结合实验结果,对生产实践中风箱果幼苗的种植提出合理建议: 。
答案 (1)遮阴程度 20 (2)植物通过减少有机物的消耗,将有机物更多地用于自身生长发育(答案合理即可) 遮阴条件下风箱果幼苗对弱光的利用能力较差,而表观量子效率反映了叶片利用弱光的能力(答案合理即可) (3)12.6 温度和CO2浓度 (4)尽量将其种植在阳光充足的环境中
解析 (1)本实验的目的是研究遮阴对风箱果幼苗光响应参数的影响,故实验的自变量为遮阴程度;实验设计应遵循等量原则,该实验共设置了3组,故每组实验的幼苗应为20株。(2)由表格信息可知,遮阴条件下细胞呼吸速率降低。遮阴条件下,光合速率降低,有机物的合成减少,若此时呼吸速率降低,可减少有机物的消耗,将有机物更多地用于自身的生长发育,这体现了风箱果幼苗对遮阴环境的适应;表观量子效率反映了叶片利用弱光的能力,遮阴条件下,风箱果幼苗利用弱光的能力降低,导致其表观量子效率降低。
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