1、第 4 节 能量之源光与光合作用基础自主梳理 一、捕获光能的色素1.绿叶中色素的提取和分离(1)提取的原理:绿叶中的色素易溶于有机溶剂,如无水乙醇,研磨绿叶时需要加入少许 SiO2 和 CaCO3。(2)分离的原理:不同的色素在层析液中的溶解度不同,溶解度越大,则在滤纸上扩散得就越快。2.色素的种类及作用(1)色素的种类:绿叶中的色素包括叶绿素和类胡萝卜素两大类,前者又包括叶绿素 a 和叶绿素 b,后者包括叶黄素和胡萝卜素。(2)色素的作用:叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。基础自主梳理 二、叶绿体的结构和功能1.结构叶绿体的结构示意图(1)由双层膜、叶绿体基质和基粒三部分
2、组成。(2)吸收光能的色素在类囊体的薄膜上,相关的酶在基粒和基质中。2.功能:进行光合作用的场所。基础自主梳理 叶绿体是以怎样的方式增大膜面积的?能进行光合作用的细胞中是否一定含有叶绿体?提示:叶绿体是通过基粒中的类囊体膜来增大膜面积的。一些原核生物如蓝藻虽然没有叶绿体,但也可以进行光合作用。基础自主梳理 三、光合作用的基本原理基础自主梳理 如果突然停止光照,则光反应产生的用于暗反应的H及 ATP的量如何变化?C3 和 C5 的含量又如何变化?提示:突然停止光照,因为光反应停止,所以该过程产生的H及 ATP 的量会减少,进一步使 C3 的还原过程减弱,所以 C3 得到积累,含量增加,C5 含量
3、与 C3 的含量变化相反。基础自主梳理 四、影响光合作用的环境因素1.光合作用强度:植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。可通过测定一定时间内原料消耗的数量或产物生成的数量来定量表示。2.影响光合作用强度的环境因素(1)空间中 CO2 的浓度。(2)土壤中水分的多少。(3)光照强弱与波长的长短以及光的成分。(4)无机盐等。光照和 CO2 浓度是如何影响光合作用的?提示:光照是通过影响光反应来影响光合作用的,而 CO2 浓度是通过影响暗反应来影响光合作用的。基础自主梳理 五、化能合成作用1.概念:某些细菌能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用。2.实例:硝化
4、细菌能利用氨氧化时所释放的化学能,将 CO2 和 H2O 合成糖类。3.绿色植物和硝化细菌都能合成有机物,因此属于自养生物,而人、动物、真菌及大多数细菌只能利用环境中现成的有机物,属于异养生物。基础自主梳理 1.关于叶绿体色素的叙述,错误的是()A.叶绿素 a 和 b 主要吸收红光和蓝紫光B.绿叶中叶绿素和类胡萝卜素含量不同C.利用纸层析法可分离 4 种叶绿体色素D.乙醇提取的叶绿体色素不能吸收光能答案:D基础自主梳理 2.如图为叶绿体的亚显微结构图,下列关于其结构与功能的叙述不正确的是()A.色素分布于上B.光合作用过程需要的酶全部分布在中C.和的基本骨架都是磷脂双分子层D.光合作用包括光反
5、应和暗反应两个过程,前者的场所是,后者的场所是答案:B基础自主梳理 3.下列是新鲜绿叶的四种光合色素在滤纸上分离的情况,请写出各种色素的名称:甲,乙,丙,丁。答案:叶绿素 b叶绿素 a叶黄素胡萝卜素基础自主梳理 4.如图表示植物光合作用的某个阶段,判断下列说法的正误。(1)图中的H来自光反应中水的光解,ATP 来自细胞呼吸。()(2)如果停止光照,则H和 ATP 的含量会减少。()(3)如果突然提高 CO2 浓度,则短时间内 C3 的含量会增加,C5 的含量会减少。()(4)图中的“多种酶”分布在叶绿体基质和基粒中。()答案:(1)(2)(3)(4)基础自主梳理 5.下图是测定 A、B 两种植
6、物随光照强度变化时,CO2 释放量或吸收量的曲线图,请据图回答:(1)A 植物的细胞呼吸强度(填“”“=”或“(2)少(3)CO2 的浓度(4)Z单位时间内CO2 的吸收量(或单位时间内 O2 的释放量)要点归纳探究 光合作用过程的分析1.光合作用过程的图解要点一要点归纳探究 2.反应式及元素去向CO2+H2O(CH2O)+O2(或 6CO2+12H2OC6H12O6+6H2O+6O2)(1)氧元素(2)碳元素:CO2C3(CH2O)(3)氢元素:H2OH(CH2O)要点归纳探究 3.光反应和暗反应的比较 光反应暗反应条件必须在光下有光、无光都可以进行场所叶绿体类囊体薄膜叶绿体基质物质变化水的
7、光解2H2O4H+O2ATP 的合成ADP+Pi+光能ATP能量转化光能ATP 中活跃的化学能有机物中稳定的化学能 要点归纳探究 续表 光反应暗反应联系光反应为暗反应提供H、ATP,暗反应为光反应提供 ADP 和 Pi,如图:要点归纳探究 4.环境条件改变后对叶绿体中某些物质含量的影响(1)光照强弱CO2供应不变 H减少ATP 减少O2产生量减少 C3还原减弱CO2固定仍 正常进行 C3含量上升C5含量下降(CH2O)合成量减少要点归纳探究(2)光照不变减少 CO2供应 CO2固定减弱C3还原仍正常进行 C3含量下降C5含量上升 H相对增加ATP 相对增加上述两种物质 转化速率变慢,O2产生量
8、减少 (CH2O)合成量相对减少 要点归纳探究【典题例析】在光照等适宜条件下,将培养在 CO2 浓度为 1%环境中的某植物迅速转移到 CO2 浓度为 0.003%的环境中,其叶片暗反应中 C3 和C5 化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答下列问题:要点归纳探究(1)图中物质 A 是 (填“C3 化合物”或“C5 化合物”)。(2)在 CO2 浓度为 1%的环境中,物质 B 的浓度比 A 的低,原因是 ;将 CO2 浓度从 1%迅速降低到 0.003%后,物质 B 浓度升高的原因是 。(3)若使该植物继续处于 CO2 浓度为 0.003%的环境中,暗反应中 C3 和C5 化合物浓度达到稳定时,
9、物质 A 的浓度将比 B 的 (填“低”或“高”)。(4)CO2 浓度为 0.003%时,该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2 浓度为 1%时的 (填“高”或“低”),其原因是 。要点归纳探究 解析:(1)由题干提供的信息可推知,植物由 1%CO2 浓度环境转移到0.003%CO2浓度的环境中后,植物暗反应阶段的CO2固定速率减小,因此,C3产生量减少,C5 相对增加,由此可确定 A 为 C3 化合物,B 为 C5 化合物。(2)在 CO2 浓度为 1%的环境中物质 B 的浓度(C5 化合物)比 A 的低,原因是根据暗反应中 CO2固定和 C3化合物还原的反应式可知,二分子 C3化合物
10、对应一分子 C5 化合物。将 CO2 浓度从 1%迅速降低到 0.003%后,CO2 的固定速率降低,C5 的消耗减少而 C5 化合物的合成速率不变,因此 C5 化合物浓度升高。(3)若使该植物继续处于 CO2 浓度为 0.003%的环境中,暗反应中 C3 和 C5 化合物浓度达到稳定时,根据暗反应所发生的物质变化过程可知,物质 A 的浓度要比 B 的浓度高。(4)由于 0.003%CO2 浓度下的暗反应强度比 1%CO2浓度下的低,所以所需 ATP 和H少,因此所需的光照强度也较低。要点归纳探究 答案:(1)C3 化合物(2)暗反应速率在该环境中已达到稳定,即 C3 和 C5化合物的含量稳定
11、。根据暗反应的特点,此时 C3 化合物的分子数是 C5 化合物的 2 倍 当 CO2 浓度突然降低时,C5 化合物的合成速率不变,消耗速率却减慢,导致 C5 化合物积累(3)高(4)低 CO2 浓度低时,暗反应的强度低,所需 ATP 和H少要点归纳探究【规律方法】如何分析 C3 和 C5 的含量问题要点归纳探究 影响光合作用的外界因素影响光合作用的外界因素包括光照、CO2 浓度、温度、水及无机盐等。其中光照强度对光合作用的影响是考查的重点,此类题目多结合曲线进行考查。下面重点分析光照强度对光合作用强度的影响。要点二要点归纳探究 1.光照强度对光合作用强度的影响甲要点归纳探究 乙要点归纳探究(1
12、)曲线分析A 点:光照强度为 0,此时只进行细胞呼吸,细胞内的代谢特点如图 1 所示,释放出的 CO2 量可表示此时细胞呼吸的强度。AB 段:随着光照强度的增强,光合作用强度也逐渐增强,CO2 释放量逐渐减少,这是因为细胞呼吸释放的 CO2 有一部分用于光合作用,此时细胞呼吸强度大于光合作用强度(如图 2 所示)。B 点:细胞呼吸释放的 CO2 全部用于光合作用,即光合作用强度等于细胞呼吸强度(如图 3 所示)。光照强度只有在 B 点以上时,植物才能正常生长,B 点所示光照强度称为光补偿点。BC 段:表明随着光照强度不断加强,光合作用强度不断加强,到 C 点以后就不再加强了,C 点所示光合作用
13、强度称为光饱和点。B 点以后的细胞代谢特点可用图 4 表示。(2)应用:阴生植物的 B 点前移,C 点下移,如图中虚线所示,间作套种农作物的种类搭配,林带树种的配置,可合理利用光能;适当提高光照强度可增加大棚作物产量。要点归纳探究 2.CO2 浓度对光合作用强度的影响(1)曲线分析A 点:光合作用强度等于细胞呼吸强度,该 CO2 浓度是 CO2 补偿点。B 点:光合作用强度最大,此点对应的 CO2 浓度是 CO2 饱和点。(2)限制因素:饱和点前的限制因素是 CO2 浓度,饱和点后的限制因素是CO2 浓度以外的其他因素如光照强度和温度等。要点归纳探究【典题例析】为研究结果期草莓的光合特性,在草
14、莓结果期,各选取数株处于三种供水条件下的植株上部功能叶片,于 5 月上旬晴天上午9:0011:00 对单叶的瞬时净光合速率进行测定,结果如图所示。请回答:要点归纳探究(1)该实验的自变量是,因变量是。(2)由图分析可知,在相同光照强度下,的草莓光合作用强度更大。在供水较多条件下,光照强度达到 1 200 mol/(m2s)后,再增大光照强度时净光合速率不再增加,限制净光合速率增加的环境因素很可能是和。(3)根据结果,有人推测在供水较少、800 mol/(m2s)光照强度时,草莓叶片的光合作用强度小于细胞呼吸强度。这种推测是(填“正确”或“不正确”)的,理由是。要点归纳探究 解析:(1)根据实验
15、条件和检测目标,可确认实验的自变量和因变量。(2)比较三条曲线在相同光照强度下净光合速率大小,可知供水较多的草莓光合作用强度更大。增大光照强度时净光合速率不再增加,光照强度不再是限制因素,此时的限制因素很可能是温度和 CO2 浓度。(3)实验测得的是净光合速率,此时净光合速率大于 0。答案:(1)供水多少、光照强度 净光合速率(2)供水较多 温度 CO2 浓度(3)不正确 此时净光合速率大于 0,光合作用强度大于细胞呼吸强度要点归纳探究【误区警示】细胞代谢部分的曲线中,有很多是带有饱和点的,如右图所示:(1)关于曲线的描述。因为这种曲线不是一条直线,所以要分段描述,往往要有“一段范围内”等限制
16、语,如果没有这种限制语,则描述就会错误。(2)关于限制因素的分析。一般来说,横坐标表示的是某种“因”,纵坐标表示的是某种“果”,首先要理解二者的因果关系,例如,如果横坐标表示的是光照强度,纵坐标表示的是光合作用强度,光照强度是通过影响光反应来影响光合作用强度的。分析限制因素时一般分两段:一是 B 点以前,二是 B 点以后,即饱和点前后的限制因素分析。一般来说,饱和点以前的限制因素就是横坐标表示的因素,该段中增强横坐标表示的因素时可以增大纵坐标表示的变化;饱和点以后的限制因素是除横坐标表示的因素以外的因素,此段增强横坐标表示的因素也不会增强横坐标表示的变化。要点归纳探究 光合作用和细胞呼吸的关系
17、1.区别光合作用细胞呼吸物质变化无机物有机物有机物无机物能量变化光能化学能(储能)化学能ATP 中活跃的化学能、热能(放能)实质合成有机物,储存能量分解有机物、释放能量,供细胞利用场所叶绿体活细胞(主要在线粒体)条件只在光下进行有光、无光都能进行要点三要点归纳探究 2.联系要点归纳探究(1)物质方面C:CO2(CH2O)C3H4O3CO2O:H2OO2H2OH:H2OH(CH2O)HH2O(2)能量方面光能ATP 中活跃的化学能(CH2O)要点归纳探究【典题例析】如图表示生物体部分代谢过程。下列有关分析正确的是()A.和过程中H的产生场所分别是叶绿体和线粒体B.过程都能产生ATPC.过程所需要
18、的酶都分布在叶绿体基质中D.过程产生的 O2 可用于过程答案试解:D要点归纳探究 解析:分别是光反应、暗反应、有氧呼吸的第一、二、三阶段。过程中H产生于细胞质基质,A 项错。过程需要消耗 ATP,B 项错。过程所需要的酶在类囊体薄膜上,C 项错。光合作用产生的 O2 可用于有氧呼吸的第三阶段,D 项正确。【误区警示】很多考生找不到正确的读图方法:首先要根据每个过程中的物质变化判断过程的名称;再结合教材的相关知识理解各过程之间的内在联系,如:光反应为暗反应提供H和 ATP;有氧呼吸的第一、二阶段为第三阶段提供H;光合作用为细胞呼吸提供有机物和 O2,细胞呼吸为光合作用提供 CO2。最后分析题干中
19、提出的问题。实验专项探究 绿叶中色素的提取和分离1.实验原理(1)利用色素溶于有机溶剂而不溶于水的性质,可以用无水乙醇等有机溶剂提取绿叶中的色素。(2)利用各种色素在层析液中溶解度不同,随层析液在滤纸上扩散速率不同的原理可以使各种色素相互分离,溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快,反之则慢。实验专项探究 2.方法步骤实验专项探究 3.实验中的注意事项及操作目的归纳 过程注意事项操作目的提取色素1取新鲜绿色的叶片使滤液中色素含量高2研磨时加无水乙醇溶解叶绿体中的色素3加少量 SiO2 和 CaCO3研磨充分和保护叶绿素4迅速、充分研磨防止乙醇挥发,并充分溶解色素5盛放滤液的小试管管口加软木塞防止乙
20、醇挥发和色素氧化 实验专项探究 续表 过程注意事项操作目的分离色素1滤纸预先干燥处理(保持干燥)使层析液在滤纸上扩散速率快2滤液细线要直、细、均匀使分离的色素带平整、不重叠3滤液细线干燥后重复画34次使分离的色素带清晰分明4滤液细线不触及层析液防止色素直接溶解到层析液中 实验专项探究 相关题目中常考查对某些实验不正常现象的分析,例如色带较浅的原因分析,要从材料本身、SiO2 和 CaCO3 是否加入及其用量、研磨是否充分等多个方面进行分析;分析色带不直要从滤液细线是否直、齐和均匀等方面进行分析。实验专项探究【对点训练】某同学利用甲、乙两种方法对绿叶中的色素进行分离,得到如图 A、B 所示的结果
21、,下列与之相关的叙述中,错误的是()实验专项探究 A.应向培养皿和烧杯中加入层析液B.应将滤液滴在甲图的 a 处,而不是 b 处C.层析液一定不能触及到乙图的 d 线D.A、B 两图中 1、2、3、4 表示的色素带顺序相同解析:用纸层析法分离色素时,在培养皿和烧杯中应倒入层析液,在 a 处滴加滤液,在 d 处画滤液细线,但层析液一定不能触及或没过滤液细线。由于色素在层析液中的溶解度不同,就会在甲图的滤纸片上形成四个不同颜色的同心圆,在乙图的滤纸条上形成四条色素带,但图示色素带序号 A、B两图中正好相反。答案:D速效提升训练 1.关于叶绿素的叙述，错误的是()A.叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素B
22、.被叶绿素吸收的光可用于光合作用C.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同D.植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光解析:叶绿素a和叶绿素b都是叶绿素，镁是组成叶绿素的必需元素；叶绿素吸收的光都可用于光合作用；叶绿素a和叶绿素b都主要吸收红光和蓝紫光，但吸收的峰值不完全相同；植物叶片呈现绿色是由于绿叶中的色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光基本不吸收而表现出绿色。答案:D速效提升训练 2.(2015安徽卷)右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C
23、3在有关酶的催化作用下，可再形成C5D.光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高解析：在C3的还原过程中存在ATP中活跃化学能转变为有机物中稳定化学能的过程，故A项错误；结合题图可知，CO2在与C5结合后生成C3的情况下才能被ATP和H还原，故B项错误；依图示，C3还原过程中，在生成(CH2O)的同时，伴随着C5的形成，故C项正确；当光照强度减弱时，H和ATP的生成量减少，C5的合成量减少，但其仍然通过CO2的固定过程被消耗，因此短时间内C5含量减少，故D项错误。答案：C速效提升训练 3.(2014全国新课标卷)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
24、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+比值下降解析：用黑布将培养瓶罩住，相当于停止光照，光反应停止，不再产生氧气。H和 ATP 的产生停止，导致暗反应 C3 的还原速度减慢，C3在叶绿体内积累，导致CO2 固定减慢。光反应停止，ATP 的生成减少，ATP/ADP 比值下降。光反应停止，NADPH(H)的产生减少，NADPH/NADP+比值下降。答案：B速效提升训练 4.为探究影响光合作用强度的因素,将同一品种玉米苗置于 25 条件下培养,实验结果如图所示。下列关于该实验的分析,错误的是()A.不同光照强度下植物会
25、有不同的光合作用强度B.与 D 点相比,限制 B 点的主要因素是无机盐C.在土壤含水量为40%60%时施肥效果较好D.除了利用图中的影响因素外,合理密植也可以提高光合作用强度速效提升训练 解析:D 点和 B 点都是经过施肥的,只是光照强度不同而已,所以与 D 点相比限制 B 点的主要因素是光照强度。答案:B速效提升训练 5.下图是水生植物黑藻在光照等环境因素影响下光合速率变化的示意图。下列有关叙述,正确的是()(注:箭头所指为处理开始时间)速效提升训练 A.t1t2,叶绿体类囊体膜上的色素吸收光能增加,基质中水光解加快、O2 释放增多B.t2t3,暗反应限制光合作用。若在 t2 时刻增加光照,
26、光合速率将再提高C.t3t4,光照强度不变、光合速率的提高是由于光反应速率不变、暗反应增强的结果D.t4后短暂时间内,叶绿体中 ADP 和 Pi含量升高,C3还原后的直接产物含量降低速效提升训练 解析:水的光解在类囊体薄膜上进行,A 项错误;t2t3,限制光合作用的主要因素是 CO2 浓度(暗反应阶段限制光合作用),若在 t2 时刻增加光照,光合速率不会提高,B 项错误;t3t4,光强充足且不变,光合速率提高是因为 CO2 浓度提高,暗反应增强,此时,光反应也增强,C 项错误;t4 后,由于无光照,光反应停止,H和 ATP 不再生成,C3 的还原仍在进行,短暂时间内,叶绿体中 ADP和 Pi
27、含量升高,而且光反应停止,还原的 C3 的量减少,C3 还原后的直接产物的含量也降低,D 项正确。答案:D速效提升训练 6.如图一所示，白光透过三棱镜后会按波长不同分散为七色条带。现有多个图二所示的装置，A 是活塞，B 是玻璃罩，C 是某植物，D 是清水，E是红色水滴，F 是带刻度尺的水平玻璃管，各个装置中植物的大小、生理状态都相同。张华将 6 套上述装置分别放在图一的 1、2、3、4、5、6 处，除光照外其他条件都完全相同且处于严格的最适状态，24 小时后读取读数。每个装置红色液滴对应的初始刻度为 0，实验结束后的读数记为X，零刻度右侧记为正值，零刻度左侧记为负值。速效提升训练(1)你认为张
28、华的实验目的是探究对光合作用速率的影响。(2)请在如图的坐标上表现出张华对该实验结果的预期。若张华的装置实际测量得到的X 值小于 0，其原因最可能是(选填下列选项)。A.有无氧呼吸存在B.呼吸底物中有脂肪C.有氧呼吸速率小于光合速率D.植物呼吸使容器内温度升高(3)张华的同桌李丽也指出，在实际操作中，张华的装置实际上无法准确得到他想要的数据。李丽想要在此基础上进行改进，使其能用于探究“在不同波长的光下，该植物的净光合速率和真光合速率的变化情况”。李丽要添加或改动的地方有：将 6 个装置中 D 里的清水改为。添加一个相同装置用于测量呼吸量，置于黑暗中，但该装置中 D 里的溶液为。添加一个相同装置
29、用于作为对照平衡无关变量的影响，但该装置中的 C应该为。速效提升训练(3)李丽将实验报告拿给当科学家的父亲看，父亲很高兴地表扬了她，但同时也指出该实验有一个缺陷：虽然每个装置所处的环境中光的波长确实不同，但是阳光中不同波长的光的却一般不会相同。解析：(1)张华的实验装置是放在经过三棱镜后按波长不同分散成七色条带的 1、2、3、4、5、6 处，因此她的实验目的是探究光的波长对光合速率的影响。(2)要想实现预期，则横坐标应是波长或组别，纵坐标应是光合作用强度，而且植物在红光和蓝紫光区域的光合作用最强，因此曲线有两个波峰。若 X 值小于 0，说明光合作用小于呼吸作用，且呼吸作用的底物中有脂肪。速效提升训练(3)要探究“在不同波长的光下，该植物的净光合速率和真光合速率的变化情况”则需要分别测得净光合速率和呼吸速率。测净光合速率需要将 6 个装置中 D 里的清水改为二氧化碳缓冲液或碳酸氢钠缓冲液，测呼吸速率需要添加一个相同装置用于测量呼吸量，置于黑暗中，且该装置中 D 里的溶液为氢氧化钠。为排除无关变量对实验的干扰，需要把该装置中的 C 换为已经死亡的同样大小的植物。(4)虽然每个装置所处的环境中光的波长不同，但不同波长的光的光照强度一般不会相同。答案：(1)光的波长(2)如图所示B(3)二氧化碳缓冲液或碳酸氢钠缓冲液氢氧化钠溶液已经死亡的同样大小的植物(4)光照强度