2021高考生物人教版一轮教师用书第三单元素养提升课2　光合作用和细胞呼吸的过程综合

素养提升课2　光合作用和细胞呼吸的过程综合

突破点一　光合作用和细胞呼吸过程的联系

(2017·全国Ⅱ卷)下图是表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。

据图回答下列问题:

(1)图中①、②、③、④代表的物质依次是　、 

　　　　　　　、　　　　　　　、　　　　　　　,[H]代表的物质主要是　　　　　　　。 

(2)B代表一种反应过程,C代表细胞质基质,D代表线粒体,则ATP合成发生在A过程,还发生在　　　　(填“B和C”“C和D”或“B和D”)。 

(3)C中的丙酮酸可以转化成酒精,出现这种情况的原因是　。 

[审题指导]

(1)题目给出了叶肉细胞光合作用和呼吸作用的过程图解,首先根据光合作用和呼吸作用的过程判断A、B、C、D表示的过程,然后判断①、②、③、④代表的物质。

(2)光合作用和呼吸作用中产生ATP的过程和结构。

(3)丙酮酸转化成酒精进行的是无氧呼吸,无氧呼吸是在缺氧的条件下进行的。

解析:(1)分析图可知,A为光反应阶段,水光解产生NADPH和O2,则①为O2,ADP和Pi得到光能生成ATP,因此③为ADP和Pi,同时NADP+与电子和质子H+结合,生成NADPH,因此②为NADP+。B为暗反应阶段,CO2与C5结合生成2个C3,因此④为C5。图中的[H]代表的是NADH。

(2)在A、B、C、D中能产生ATP的为A光反应阶段,细胞质基质(C)中的细胞呼吸第一个阶段和发生在线粒体(D)中的有氧呼吸第二、第三阶段。

(3)C中的丙酮酸在无氧条件下可在相应酶的催化作用下转化成酒精。

答案:(1)氧气(或O2)　NADP+　ADP和Pi　C5　NADH(还原型辅酶Ⅰ)

(2)C和D　(3)没有氧气(无氧条件),进行无氧呼吸的第二阶段产生酒精

1.光合作用和细胞呼吸的过程综合

(1)物质名称:b.O2,c.ATP,d.ADP,e.NADPH,f.C5,g.CO2,h.C3。

(2)生理过程及场所

2.光合作用与细胞呼吸中物质及能量转化

(1)光合作用和有氧呼吸中各种元素的去向

C:CO2有机物丙酮酸CO2

H:H2O[H](CH2O)[H]H2O

O:H2OO2H2OCO2有机物

(2)光合作用与有氧呼吸中[H]和ATP的来源、去路

(3)光合作用与有氧呼吸中的能量转化

1.如图表示光照下叶肉细胞中A、B两种细胞器间的气体交换。下列有关此图的叙述正确的是(　D　)

A.A结构可进行完整的细胞呼吸

B.A、B结构可为对方提供ATP

C.若O2全部被A结构利用,则光合速率与呼吸速率相同

D.限制A、B结构代谢的主要环境因素不同

解析:由图可知,A表示线粒体,B表示叶绿体。线粒体是有氧呼吸第二阶段和第三阶段的场所,有氧呼吸第一阶段的场所是细胞质基质;线粒体产生的ATP不能供给叶绿体,叶绿体产生的ATP只供给暗反应,不能供给其他生命活动;若O2全部被线粒体利用,则光合速率与呼吸速率相同或呼吸速率大于光合速率;限制线粒体中有氧呼吸的主要环境因素是温度和氧气浓度,限制叶绿体中光合作用的主要环境因素是光照强度、温度、二氧化碳浓度。

2.(2019·山东潍坊期中)如图表示某植物叶肉细胞内部分物质代谢途径,其中①～⑥表示过程。下列相关分析错误的是(　C　)

A.①②产生的[H]与④产生的[H]不是同一种物质

B.③与④都发生在细胞器的膜结构上

C.只要⑤生成(CH2O)的量大于①消耗的(CH2O)的量,植株就能正常生长

D.对生物界来说,④产生ATP的量远远大于①②③

解析:①②产生的[H]是NADH,④产生的[H]是NADPH;③表示有氧呼吸第三阶段,发生在线粒体的内膜上,④表示光合作用的光反应阶段,发生在叶绿体类囊体膜上;该图表示某植物叶肉细胞内部分物质代谢途径,仅叶肉细胞中⑤生成(CH2O)的量大于①消耗的(CH2O)的量,植株不一定能正常生长,因为植物的非绿色部分也进行细胞呼吸;对生物界的生物来说,光合作用产生的ATP的量大于细胞呼吸产生的ATP的量。

3.(2019·山东枣庄期末)下图为植物细胞代谢的部分过程简图,①～⑦为相关生理过程。据图回答问题:

(1)图中C3的名称是　　　　　,可为②提供能量的生理过程是　　　　　(填图中序号)。 

(2)在适宜光照下,若用O浇灌植物,则放射性的18O(填“会”或“不会”)出现在葡萄糖中,原因是 　         。 

(3)图中⑤⑦过程中,葡萄糖中能量的去向是 　       。 

(4)过程⑥发生的具体部位是　   。 

(5)一棵植物在生长过程中,光合作用产生的ATP的量远大于细胞呼吸产生的ATP的量,原因是       

                                        　。 

解析:(1)为植物细胞吸收无机盐提供能量的是细胞呼吸产生的ATP。(2)在有氧呼吸过程中,水中的氧能够转移到CO2中。(3)图中⑤⑦过程中,葡萄糖中能量的去向是以热能的形式散失、转移到ATP中、储存在酒精中。(4)过程⑥表示有氧呼吸第二、三阶段,发生的部位是线粒体基质和线粒体内膜。(5)植物在生长过程中,光合作用产生的ATP中的能量转移到有机物中,植物体中的有机物只有部分通过细胞呼吸氧化分解释放能量,且释放的能量也只有部分转移到ATP中,因此植物在生长过程中光合作用产生的ATP的量远大于细胞呼吸产生ATP的量。

答案:(1)丙酮酸　⑤⑥

(2)会　用O浇灌植物时,水中的18O通过有氧呼吸的第二阶段形成C18O2,进而被光合作用的暗反应阶段利用,形成葡萄糖(或用O浇灌植物时,水中的18O通过过程⑥形成C18O2,进而被④过程利用,形成葡萄糖)

(3)储存在酒精和ATP中的化学能、以热能的形式散失

(4)线粒体基质和线粒体内膜

(5)植物在生长过程中,光合作用产生的ATP中的能量转移到有机物中,植物体中的有机物只有部分通过细胞呼吸氧化分解释放能量,且释放的能量也只有部分转移到ATP中

突破点二　总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系

(2018·全国Ⅲ卷)回答下列问题:

(1)高等植物光合作用中捕获光能的物质分布在叶绿体的　　　　　　　上,该物质主要捕获可见光中的　 

　　　　。 

(2)植物的叶面积与产量关系密切。叶面积系数(单位土地面积上的叶面积总和)与植物群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率之间的关系如图所示。由图可知:当叶面积系数小于a时,随叶面积系数增加,群体光合速率和干物质积累速率均　　　　。当叶面积系数超过b时,群体干物质积累速率降低,其原因是　 

　。 

(3)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　　　　(填“高”或“低”)。 

[审题指导]

(1)第二问第一空考查识图。第二空考查群体干物质积累速率(净光合速率)与群体总光合速率和群体呼吸速率的关系。即:净光合速率=总光合速率-呼吸速率。

(2)第三问明确阴生植物的特点:阴生植物适宜在弱光下生长,注意关键语句:“光合作用吸收和呼吸作用放出的CO2相等时”的理解,明确问的是“光照强度的高低”。

解析:(1)高等植物进行光合作用捕获光能的物质是色素,该物质分布在叶绿体的类囊体膜上,其捕获的光主要是蓝紫光和红光。

(2)由图中曲线可以看出,当叶面积系数小于a时,随叶面积系数增加,群体光合速率和干物质积累速率都在增加;当叶面积系数超过b时,群体光合速率不变,但群体呼吸速率增加,两者差值降低,故群体干物质积累速率降低。

(3)植物光合作用吸收与呼吸释放的CO2量相等时的光照强度为光补偿点。通常,与阳生植物相比,阴生植物的光补偿点较低, 即达到光补偿点所需光照强度低。

答案:(1)类囊体膜　蓝紫光和红光

(2)增加　群体光合速率不变,但群体呼吸速率仍在增加,故群体干物质积累速率降低

(3)低

1.总(真正)光合速率、净光合速率的表示方法

净光合速率常用单位时间内O2释放量、CO2吸收量或有机物积累量表示;总(真正)光合速率常用单位时间内O2产生量、CO2固定量或有机物产生量来表示。

2.真正(总)光合速率、净光合速率与呼吸速率的关系

A点　　

AB段　

B点　　

B点后　

由以上分析可知:真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。

3.光合作用和细胞呼吸的曲线分析

(1)植物生长速率取决于净光合量而不是“总光合量”,如下图中n值为净光合速率(虚线表示),n值=总光合速率-呼吸速率。

(2)解答与呼吸作用、光合作用曲线综合题应特别关注的信息

①光照强度为“0”意味着光合作用不能进行,此时气体变化量全由细胞呼吸引起,可作为呼吸强度指标。

②光照下吸收CO2量应为净光合量。

③光照培养阶段,密闭装置中CO2浓度变化量应为光合作用消耗CO2的量与呼吸作用产生CO2量间的“差值”,切不可仅答成“光合作用消耗”导致装置中CO2浓度下降。

1.如图表示在适宜的条件下,两种植物Ⅰ、Ⅱ的光合速率随时间的变化情况。下列相关叙述正确的是(　B　)

A.当光照强度为P时,植物Ⅰ、Ⅱ的O2产生速率相等

B.若白天光照时间为12 h,则平均光照强度需大于N,植物Ⅰ才能正常生长

C.当光照强度为Q时,限制植物Ⅰ、Ⅱ的光合速率的因素均为光照强度

D.当光照强度为Q时,光照14 h,黑暗10 h,植物Ⅰ固定的CO2量为92 mg

解析:当光照强度为P时,植物Ⅰ、Ⅱ的净光合速率相等,但由于两者呼吸速率不同,因此植物Ⅰ、Ⅱ的O2产生速率即总光合速率不相等;若要植物Ⅰ正常生长,且白天光照时间为12 h,则白天12 h有机物的积累量必须大于晚上12 h有机物的消耗量,因此平均光照强度需大于N;当光照强度为Q时,光照强度已经不是限制植物Ⅰ、Ⅱ光合速率的因素了;当光照强度为Q时,植物Ⅰ净光合速率为 8 mg·h-1,光照14 h,黑暗10 h,植物Ⅰ固定的CO2量即总光合作用强度为14×(8+2)mg=140 mg。

2.(2019·河北衡水金卷)某实验小组研究温度对水绵光合作用和呼吸作用的影响,实验结果如图所示。据图分析下列有关说法正确的是(　B　)

A.依图可知,水绵细胞呼吸作用的最适温度为35 ℃

B.图中水绵细胞积累有机物速率最大时的温度是25 ℃

C.每天光照10 h,最有利于水绵生长的温度是25 ℃

D.在5 ℃时,水绵细胞产生氧气的速率是消耗氧气的速率的2倍

解析:图中纵坐标表示光照下CO2的吸收量(即净光合速率)或黑暗中CO2的释放量(即呼吸速率)。由于没有给出高于35 ℃条件下水绵细胞呼吸的CO2释放量,因此不能认为水绵细胞呼吸作用的最适温度为35 ℃;水绵细胞积累有机物的速率是指净光合速率,从图中可看出,在25 ℃时水绵细胞在光照下CO2的吸收量最多,即积累有机物的速率最大;每天光照10 h,最有利于水绵生长的温度应是20 ℃,因为在20 ℃时,每天光照10 h,一昼夜水绵积累的有机物量最多,约为11.5 mg(3.25×10-1.5×14=11.5);在5 ℃时,水绵细胞产生氧气的速率是 1.5 mg·h-1,消耗氧气的速率是0.5 mg·h-1,因此水绵细胞产生氧气的速率是消耗氧气的速率的3倍。

3.(2019·河北衡水金卷)菹草是一种沉水植物,是草食性鱼类的良好天然饵料。为了能充分利用和开发菹草资源,科研人员研究了不同光照强度对菹草光合作用的影响(结果如图所示),并建议在实际生产中通过调节水量使菹草生长于水深2 m左右。下列叙述错误的是(　D　)

A.菹草叶肉细胞中的叶绿素分布在叶绿体的类囊体薄膜上

B.由图可知,菹草生长的最适光照强度为6 klx左右

C.在光照强度为2 klx时,菹草光合作用产氧速率为0.4 mg·g-1·L-1·h-1

D.若将水深增加3 m左右,菹草的呼吸速率将增加

解析:参与植物光合作用的色素主要有叶绿素和类胡萝卜素,这些色素分布在叶绿体的类囊体薄膜上;由图可知,在光照强度为6 klx左右时,菹草净光合速率达到最大;真光合速率=呼吸速率+净光合速率,在光照强度为2 klx时,菹草净光合速率和呼吸速率分别为0 mg·g-1·L-1·h-1和0.4 mg·g-1·L-1·h-1,故菹草光合作用产氧速率为0.4 mg·g-1·L-1·h-1;通过调节水量使菹草生长于水深2 m左右的原因是水深2 m处光照强度适宜,菹草净光合速率接近最大值,若将水深增加3 m左右,则水温降低,导致菹草的呼吸速率降低。

突破点三　自然和密闭环境下植物的生长问题

(2017·全国Ⅰ卷)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  　       。 

甲种植物净光合速率为0时,乙种植物净光合速率　　　　(填“大于0”“等于0”或“小于0”)。 

(2)若将甲种植物密闭在无O2、但其他条件适宜的小室中,照光培养一段时间后,发现植物的有氧呼吸增加,原因是  　      。 

[审题指导]

(1)题干给出了“CO2补偿点”的概念,即光合速率与呼吸速率相等时环境中的CO2浓度。题干还给出了“甲种植物CO2补偿点大于乙种植物”。

(2)第(1)问给出的问题情景是“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”,问培养后发现两种植物的光合速率都下降的原因是什么?植物在培养过程中,光合速率大于呼吸速率,密闭环境中CO2浓度会降低。甲植物的净光合速率为0时,光合速率等于呼吸速率,根据题干信息,推出此时乙种植物的净光合速率大于0。

(3)第(2)问的问题情景是“甲种植物密闭在无O2、但其他条件适宜的小室中”,问题是“照光培养一段时间后,植物的有氧呼吸增加的原因是什么?”有氧呼吸增加一定是氧气增加了,氧气增加的原因是植物光合作用产生了O2。

解析:(1)甲、乙两种植物在同一密闭小室中,在光下同时进行光合作用和呼吸作用,光照适宜时,光合作用强度大于呼吸作用强度,即光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用释放CO2的量,故一段时间后密闭小室中CO2浓度降低,则光合速率也随之降低。甲种植物净光合速率为0,即光合速率与呼吸速率相等,此时CO2浓度为植物的CO2补偿点;由于甲种植物的CO2补偿点大于乙种植物,当甲种植物达到CO2补偿点时,此时的CO2浓度高于乙种植物的CO2补偿点,故乙种植物净光合速率大于0。

(2)植物照光后,进行光合作用产生O2,故可进行有氧呼吸,随着O2的增加,有氧呼吸增强。

答案:(1)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,光合速率也随之降低　大于0

(2)甲种植物在光下光合作用释放的O2使密闭小室中O2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O2增多时,有氧呼吸会增加

1.自然环境中一昼夜植物光合作用分析

下图表示自然环境中一昼夜植物吸收CO2的速率。

(1)a点:夜温降低,细胞呼吸减弱,CO2释放减少。

(2)开始进行光合作用的点:b,结束光合作用的点:m。

(3)光合速率与呼吸速率相等的点:c、h,有机物积累量最大的点:h。

(4)de段下降的原因是气孔关闭,CO2吸收减少,fh段下降的原因是光照减弱。

2.密闭环境,自然光照下植物的光合作用分析

下面两图表示密闭环境中自然光照下一昼夜植物生长引起的CO2含量和O2含量的变化。

(1)光合速率等于呼吸速率的点:A、C。

(2)图(一)中若N点低于虚线,则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浓度减少,即总光合量大于总呼吸量,植物生长。

(3)图(二)中若N点低于虚线,则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浓度减少,即总光合量小于总呼吸量,植物不能生长。

3.密闭环境,恒定光照下植物的光合作用分析

将生长发育状况相同的甲、乙两种植物,分别放在两个完全相同的密闭无色玻璃罩内,在相同且适宜的条件下培养一段时间,培养过程中玻璃罩内CO2浓度的变化如下图所示。

(1)开始时,容器内CO2浓度逐渐降低,表明光合速率大于呼吸速率。后来,容器内CO2浓度不再降低,维持稳定,表明光合速率和呼吸速率相等。

(2)t1之前,甲植物固定CO2的能力大于乙植物;t1之后,乙植物固定CO2的能力大于甲植物。

(3)若将甲、乙两种植物放在同一密闭玻璃罩内,一段时间后,甲植物的生长最先受到严重影响。因为甲植物的CO2补偿点比乙植物高,光合作用最先受到CO2浓度的限制。

1.两棵同种生长状况基本相同的植物,分别置于透明的玻璃罩内,如图甲、乙所示;在相同自然条件下,测得一昼夜中植物氧气释放速率分别如图丙、丁曲线所示。回答下列问题:

(1)ab段和cd段,引起曲线下降的主要环境因素分别是　　　　　　　　　　和　　　　　　。 

(2)一昼夜中,装置甲、乙中植物积累的有机物较多的是　　　　(填“甲”或“乙”)。 

(3)导致e点(12时左右)光合作用强度明显减弱的主要原因是 

　　　　　　　　　　　　　。 

解析:(1)图丙中,ab段下降的原因是密闭装置中二氧化碳被光合作用消耗,浓度降低;图丁中cd段下降的原因是光照减弱。(2)根据图丙和图丁可知,一昼夜中,图丁中曲线和横轴围成的面积,上部与下部的差值远大于图丙,说明装置乙中植物积累的有机物较多。(3)e点(12时左右)温度高,蒸腾作用强,为减少水分散失,气孔大量关闭,二氧化碳供应减少,导致光合作用强度明显减弱。

答案:(1)二氧化碳浓度　光照强度

(2)乙

(3)温度高,导致气孔关闭,二氧化碳供应减少

2.(2019·安徽毛坦厂中学模拟)某生物兴趣小组将同一生长状况的某种植株均分为两组,分别培养在完全培养液和只缺镁的培养液中,置于适宜条件下培养两周后,再将两种条件下的植株分别移入两个密闭玻璃容器内,置于室外(晴天)相同的条件下,测定密闭容器中一天的CO2浓度变化情况,如图所示。

(1)　　　　组是在缺镁条件下培养的植株,判断的理由是　。 

(2)对于这两组植株来说,B1、B2两个点对应的光照强度又称为　　　　。在这一天内,B1对应的时刻　　　　(填“等于”“早于”或“晚于”)B2对应的时刻,原因是　     　。 

解析:(1)在光照时间段内,甲组CO2浓度下降幅度大于乙组,因此判断甲组的光合速率大于乙组。

(2)B1、B2两个点对应的光照强度下,光合速率等于呼吸速率,因此两点对应的光照强度为光补偿点。甲组含有较多的叶绿素,因此甲组光合速率大于乙组的光合速率,因此甲组可在较弱光照下达到光补偿点。

答案:(1)乙　光照时间段内,乙组的二氧化碳浓度下降幅度远小于甲组的(或“光照较强的时间段内,乙组的光合速率明显小于甲组的光合速率”或“24小时后,乙组的二氧化碳浓度远高于甲组的”)

(2)光补偿点　晚于　随时间推移光照强度逐渐减弱,甲组含有较多的叶绿素,对光的吸收、转化能力远大于乙组

3.(2019·湖南长郡中学测试)将A、B两种长势相同的植物置于相同的、温度适宜且恒定、光照恒定的密闭小室中,测得每个小室内CO2浓度随时间的变化如图所示。回答下列问题:

(1)当时间在10～20 min时,A、B两种植物中,CO2利用率较高的是　　　　,理由是　   　。 

(2)若将A、B植物单独种植在干旱程度不同的土壤中,更适合生活在干旱土壤中的植物是　　　　,理由是　    　         。 

(3)夏季晴朗白天中午12:00时,植物叶片的光合速率会降低,A、B植物降低较快的是　　　　。 

(4)叶片吸收的CO2需先　　　　(填“还原”或“固定”)成为C3,才能转变为糖类。 

解析:(1)图示纵坐标表示密闭小室中CO2浓度,随着时间的递增,在0～20 min时段内,玻璃罩内的CO2含量逐渐降低,说明此时段被植物吸收并且用于光合作用的CO2量大于呼吸作用产生的CO2量;在10～20 min时段,B植物所在的密闭小室内CO2浓度下降的幅度比A植物的大,说明在10～20 min时段,B植物对CO2的利用率较A植物高。

(2)当玻璃罩内的CO2浓度不发生变化时,A植物所在的玻璃罩内CO2浓度高于B植物,说明B植物在低浓度CO2时仍可进行光合作用,其固定CO2的能力较A植物强。土壤干旱,造成植物缺少水分,由于植物会通过蒸腾作用失去部分水分,因此会导致植物的气孔关闭,CO2供应不足,而B植物在低浓度CO2时仍可进行光合作用,说明在干旱土壤中,B植物固定CO2的能力较A植物强,因此B植物更适合生活在干旱土壤中。

(3)夏季睛朗白天中午12:00时,光照强,环境温度高,蒸腾作用旺盛,导致气孔关闭,使得CO2的供应不足,暗反应减弱,进而引起叶片的光合速率下降。因B植物固定CO2的能力较A植物强,所以A植物叶片的光合速率降低较B植物快。

(4)CO2是光合作用暗反应的原料。叶片吸收的CO2需先与C5结合被固定成为C3,之后在ATP提供能量的前提下被[H]还原为C5和糖类(CH2O)。

答案:(1)B植物　CO2浓度降低说明CO2被植物吸收利用,10～20 min时B植物所在的密闭小室内CO2浓度下降的幅度比A植物的大,说明在10～20 min时,B植物对CO2的利用率较高　(2)B植物　干旱会导致植物的气孔关闭,CO2供应不足,B植物在低浓度CO2时仍可进行光合作用,说明B植物种植在干旱土壤中固定CO2的能力较A植物强,因此B植物更适合生活在干旱土壤中　

(3)A植物　(4)固定