1、小专题5 光合作用的基本原理及应用 专题二 细胞的代谢1光合作用基本过程图解。2光合作用和呼吸作用的关系图解1叶绿体中的色素叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。各种色素在层析液中的溶解度不同：溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。叶绿素的合成易受光照、温度、Mg2+等的影响。2光合作用中光反应和暗反应的比较3植物光合作用和有氧呼吸的比较光合作用有氧呼吸场所叶绿体活细胞(细胞质基质和线粒体)条件只在光下进行有光、无光都能进行ATP来源 产生于光反应阶段有氧呼吸的三个阶段AT
2、P去向 用于暗反应中C3的还原可用于各项生命活动的能量供应H来源 来自光反应中水的光解来自第一、二阶段H去向 可作为还原剂用于暗反应阶段还原C3两阶段所产生的H均被用于第三阶段还原O2，产生H2O，释放大量能量影响因素 光照、温度、CO2浓度等O2浓度、温度、CO2浓度等物质变化将无机物合成有机物 将有机物分解为无机物能量变化光能化学能化学能ATP、热能实质合成有机物，储存能量(合成代谢或同化作用)分解有机物，释放能量(分解代谢或异化作用)联系1进行光合作用的细胞是否都含叶绿体？色素是否都在叶绿体中？蓝藻属于原核生物，没有叶绿体，但含有叶绿素和藻蓝素，能进行光合作用。如蓝球藻、颤藻、发菜。某些
3、细菌(光合细菌)在有光照、缺氧的环境中也能进行光合作用，利用光能生产有机物。与绿色植物不同的是，它们的光合作用的原始供氢体不是水，而是H2S(或一些有机物)，因而光合作用不产氧。如绿硫细菌和紫硫细菌。对于高等植物而言，植物色素包括脂溶性的叶绿体色素和水溶性的细胞液色素，前者存在于叶绿体中，与光合作用有关，如叶绿素等；后者存在于液泡中，特别是与花朵的颜色有关，如花青素。2光合作用过程中条件的改变引起的物质变化3环境影响光合作用速度的曲线分析及应用(1)光照强度4光合作用与细胞呼吸的计算(1)光合作用速率表示方法：通常以一定时间内CO2等原料的消耗或O2、(CH2O)等产物的生成量来表示。(2)呼
4、吸速率：将植物置于黑暗中，光照强度为0时，实验容器中CO2增加量、O2减少量或有机物减少量。(3)净光合速率又称表观光合速率，植物真正光合速率净光合速率呼吸速率。如下图所示：(4)光合作用实际产氧量实测的氧气释放量呼吸作用耗氧量。光合作用实际二氧化碳消耗量实测二氧化碳消耗量呼吸作用二氧化碳释放量。(5)一昼夜有机物的积累量(用CO2量表示)可用下式表示：积累量白天从外界吸收的CO2量晚上呼吸释放的CO2量。5不同光照强度下植物叶肉细胞与外界环境的气体交换植物细胞可只进行呼吸作用，也可同时进行光合作用和呼吸作用。植物细胞进行光合作用时，优先利用呼吸作用产生的CO2，当这部分CO2不足以满足需要时
5、，才会从外界吸收CO2。图：该图显示叶绿体不吸收CO2，即植物不进行光合作用，只有细胞呼吸(处于暗处)，此时，植物释放的CO2线粒体释放的CO2。图：该图表示植物细胞的呼吸作用光合作用，即线粒体所释放的CO2，除一部分被叶绿体捕获用于光合作用外，还有一些CO2将释放到外界。图：表示光合作用强度细胞呼吸强度，此时植物在外观上表现为既不吸收CO2也不释放CO2，既不吸收O2也不释放O2。图：该图表示叶绿体中吸收的CO2除来自线粒体外还来自外界，此时应为光合作用呼吸作用。【热点考向1】光合作用暗反应中C3和C5化合物含量变化的分析【例1】下图为光合作用联系示意图，如在适宜条件下栽培的小麦，突然将c降
6、至极低水平(其他条件不变)，则a、b在叶肉细胞中的含量将()Aa上升、b下降Ba、b都将上升Ca、b都将下降Da下降、b上升【解析】此图呈现的是光合作用过程。对于此类问题，必须准确掌握光合作用暗反应的机理(“卡尔文循环”)，并注意光反应与暗反应是有机统一的整体，抓住三类物质量的变化，即光反应产物(H和ATP)、CO2及(CH2O)。结合右图可准确判断。图中的a、b【答案】B代表水光解生成的H和ATP，c代表CO2，CO2突然降至极低水平(其他条件不变)，则C5固定CO2生成C3的量将减少，故C3还原成(CH2O)所消耗的H和ATP将减少，而光反应生成H和ATP正常进行，故叶肉细胞中的H和ATP
7、的含量都将上升。【变式1】(2011全国新课标卷)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。(1)图中物质A是_ (C3化合物、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_C3化合物的含量稳定。根据暗反应的特点，此时C3化合物的含量是C5化合物的2倍。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。根据暗反应的特点，当CO2浓度突然降低时，C5化合物的合成速率不变
8、，消耗速率却减慢，导致C5化合物积累。(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，物质A的浓度将比B的_(低、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 _(高、低)，其原因CO2浓度低，暗反应的强度低，所需ATP和H少。低高【解析】本题主要考查光合作用的影响因素的相关知识及识图能力。(1)CO2浓度降低后，直接影响暗反应中CO2的固定，导致C3化合物的量减少，确定物质A是C3化合物，物质B是C5化合物。(2)CO2浓度为1%时，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
9、稳定，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。【解析】(3)CO2浓度为0.003%时，C3和C5化合物的浓度保持稳定后，暗反应保持稳定，此时仍根据暗反应中CO2的固定的反应式确定，C3化合物的量应是C5化合物的量的2倍。(4)CO2浓度降低，达到最大光合速率时所需的光照强度降低，因为暗反应减弱，所需的ATP和H减少，光反应强度减弱。【热点考向2】多因子变量对光合作用的影响分析【例2】在下面曲线图中，有M、N、O、P、Q五个点，对它们的含义的叙述正确的是()M点时，植物既进行光合作用，也进
10、行呼吸作用，且光合作用强度弱于呼吸作用强度N点时，植物体只进行呼吸作用；O点时，植物体的光合作用强度等于呼吸作用强度Q点时，光照强度不再是影响光合速率的主要因素P点前，影响光合速率的主要因素是光照强度A BC D【解析】M点时，光照强度为零，无光合作用，只有呼吸作用。N点为光补偿点，其光合作用强度等于呼吸作用强度。O点在N、P之间，光合作用强度大于呼吸作用强度。故均错误。【答案】C【变式2】(2011湖南师大附中月考)下图为绿色植物体内某些代谢过程中物质变化的示意图，甲、乙、丙分别表示不同代谢过程，X表示某种物质；图和图表示不同外界环境因素对光合速率的影响。请回答下列问题：(1)图中的物质X为
11、_。植物体内既可进行甲过程又可进行丙过程的细胞是_。(2)图甲、乙、丙中既有水参加又有水生成的是_，图中O2如果被18O标记，则图中最终会出现的具有放射性的物质有_ATP叶肉细胞丙H2O、CO2、C6H12O6(3)高温干旱初期，小麦光合作用速率下降，主要原因是限制了图中的_过程，此原因可用图_(填或)来说明，原因是_，光合作用速率下降。(4)图中的P点，限制小麦光合作用速率的因素为_，该因素限制了图中的_过程。除上述图和图显示的因素外，_(答出一点即可)也是影响光合作用速率的主要因素之一。乙气孔关闭，CO2供应不足光照强度甲光质、必需矿质元素【热点考向3】关于总(真正)光合与净(表观)光合的
12、分析【例3】以测定的CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用和呼吸作用的影响，结果如下图所示。下列分析正确的是()A15 时每小时光合作用消耗的CO2量为3.5 mgB图中最有利于植物积累有机物的温度为20 C两曲线的交点表示光合作用制造的有机物量与呼吸作用消耗的有机物量相等D温度高于25 时，光合作用制造的有机物量开始减少【解析】如图虚线代表光照下CO2的吸收量，应为实测的净光合速率。实线代表黑暗下CO2的释放量，就是呼吸速率。所以15 时每小时光合作用消耗的CO2量为净光合速率呼吸速率即2.51.03.5 mg。图中最有利于有机物积累的温度应为虚线的最高点即25。两曲线的交
13、点代表有机物的净积累量与呼吸作用消耗的有机物量相等。温度高于25 时，光合作用的有机物净积累量开始减少，而制造的有机物量为两曲线之和，在温度高于35 开始减少。【答案】A【变式3】(2011湖南师大附中月考)有一种测定叶片光合速率的方法半叶干重法，实验过程如下：注：1.光合速率是单位面积叶片在单位时间内固定CO2的量或合成有机物的量。2总光合速率净光合速率呼吸速率。步骤一：选择同一植株上生长状况良好、发育程度相近的叶片若干，叶片主脉两侧对称；步骤二：在叶柄处进行适当处理使筛管的运输功能受阻、导管功能正常，保证实验中叶片呼吸作用和光合作用正常进行；步骤三：剪取叶主脉右半部分的叶片，立即保存于暗处
14、(简称暗叶)，另一半叶片同主脉保留在枝上给予正常光照(简称光叶)，控制光叶和暗叶的温度、湿度一致，开始记录时间；步骤四：数小时后剪下光叶，从光叶和暗叶上各切取相同大小的叶块，立即烘干至恒重，分别用分析天平称重，将结果记录在下表中：测 量光 叶暗 叶差 值干重(mg)(1)分析上述实验方法并回答问题：步骤一中选择同一植株上生长状况良好和发育程度相近的叶片作为实验材料的理由是叶片的发育状况不同，它的_作用不同；步骤二中阻止筛管运输功能的目的_，如果处理不当使导管也受阻，叶片将会出现 _现象；光合作用和呼吸防止叶片合成的有机物向外运输萎蔫步骤三中，光叶与暗叶的呼吸速率_步骤四中，光叶与暗叶干重出现差
15、异的原因是_.(2)根据实验数据，按照公式：X，可以计算出X值。叶块干重差的含义是_，X的单位是_。没有明显差异；基本相同或进行呼吸作用)。光叶进行光合作用，暗叶不进行光合作用(或暗叶只质量(或合成有机物量)mgcm2 h1叶片光合作用制造的干物在计算叶片光合作用中固定的CO2量时，还要利用光合作用反应式得到一个系数a，之后用X乘以a计算得出。系数a的值为_(保留一位小数)。上述计算测得的光合速率为_(总光合速率、净光合速率)的值。1.5总光合速率【解析】此题以实验题的形式考查了总光合作用与净光合作用的关系。重点理解干重差的含义。暗叶只进行呼吸作用，质量减少。光叶既进行光合作用也进行呼吸作用，
16、其干重是净积累的有机物量(总光合作用呼吸作用)，这样光叶与暗叶的干重差就是实际光合作用中制造的有机物量，即总光合作用。【热点考向4】关于光合作用强度日变化的问题分析【例4】(2011湖南师大附中月考)将一植物放在密闭的玻璃罩内，置于室外进行培养，假定玻璃罩内植物的生理状态与自然环境中相同。用CO2浓度测定仪测得了该玻璃罩内CO2浓度的变化情况，绘制成如下图的曲线，下列有关说法正确的是()ABC段较AB段CO2浓度增加减慢，是因为植物开始进行光合作用消耗CO2BCO2浓度下降从DE段开始，说明植物进行光合作用是从D点开始的CD点表明植物光合作用强度和呼吸作用强度相等DH点CO2浓度最低，说明此时
17、植物对CO2的吸收速率最快【解析】在一天(24小时)中，植物一直进行呼吸作用，在有光照时还可以进行光合作用，从而引起密闭玻璃罩内CO2浓度的变化。BC段较AB段CO2浓度增加减慢，是因为夜间低温使呼吸作用减弱。CD段CO2浓度增加减慢，是因为植物开始进行光合作用消耗CO2，但此段光合作用弱于呼吸作用，表现为CO2增加，D点对应光合作用吸收的CO2等于呼吸作用释放的CO2。H点之后一段时间光照很弱，依然能进行光合作用，但光合作用强度弱于呼吸作用，表现为密闭装置中CO2浓度增加。【答案】C【变式4】(2011广州高三五校联考)将一长势良好的健壮植株在密闭玻璃罩内培养，并置于室外。用CO2测定仪测定
18、玻璃罩内CO2浓度某一天的变化情况，绘成曲线如下图甲所示。下图乙表示该植株处于光照下的叶肉细胞，a表示该细胞的线粒体进行细胞呼吸放出的CO2量，b表示该细胞的叶绿体进行光合作用吸收的CO2量。回答下列问题：(不考虑这一天内植株生长对细胞呼吸和光合作用的影响)(1)如图甲所示，BC段较AB段CO2浓度增加速率减慢的原因是_。从16时到18时，叶绿体内ATP合成速率的变化是_。(2)如图乙所示，在氧气不足条件下，线粒体内丙酮酸氧化分解的速率将会_。适宜光照条件下，光反应产生的并能够为暗反应所利用的能源物质是_，若光照突然停止而其他条件不变，则短时间内叶绿体中三碳化合物(C3)的合成速率将会_(填“
19、变大”、“不变”或“变小”)。减少温度降低，细胞呼吸(呼吸作用)减弱 减慢ATP和NADPH变小【热点考向5】光合作用的测定装置【例5】下图是探究绿色植物光合作用速率的实验示意图，装置中的碳酸氢钠溶液可维持瓶内的二氧化碳浓度。该装置放20 环境中。实验开始时，针筒的读数是0.2 mL，毛细管内的水滴在位置X。30分钟后，针筒的容量需要调至0.6 mL的读数，才能使水滴仍维持在X的位置。据此实验回答下列问题：(1)以释放出的氧气量来代表光合作用速率，该植物的光合作用速率是_mL/h。(2)用这一方法测量光合作用速率，比实际的光合速率低，原因是_。(3)假若将该植物的叶的下表皮涂上一层凡士林，光合
20、作 用 的 速 率 将 会 大 幅 度 下 降，原 因 是_。(4)如果在原实验中只增加光照强度，则针筒的容量仍维持在0.6 mL读数处。在另一相同实验装置中，若只将温度提升至30，针筒容量需要调至0.8 mL读数，才能使水滴维持在X的位置上。比较两个实验可以得出什么结论？【解析】植物光合速率的测定通常也选用细胞呼吸作用所使用的装置(如右图所示)，但需用绿色植物作为被研究的生物，且将NaOH溶液更换成NaHCO3溶液，同时给予适宜的光照。装置中绿色植物光合作用产生的O2可使玻璃管内的红色液滴右移。实验过程中NaHCO3溶液持续释放CO2，排除了因CO2量的变化而对实验结果造成的干扰。【解析】(
21、1)针筒的起始读数是0.2 mL,30分钟后终点读数为0.6 mL，则O2释放量为0.4 mL，所以每小时释放0.8 mL O2。(2)用这一方法测定的是光合作用净产氧量，即净产氧量总产氧量呼吸耗氧量，故净光合速率低于真正的光合速率。【答案】(1)0.8(2)植物同时进行呼吸作用，消耗了氧气(3)凡士林阻塞部分气孔，使供应叶的二氧化碳减少，限制光合作用的暗反应(4)在光照充足的条件下，提高温度可提高光合作用速率【解析】(3)凡士林能封闭气孔，阻止叶片的CO2供应，从而影响到CO2的固定，C3生成受阻，C3还原也降低，暗反应速率降低。(4)由题意可知，光照强度已处于光饱和点，因此不成为限制光合速
22、率的因素，而实验环境温度为20，酶活性还未达到最高，因此可通过适当提高温度来加快光合速率。【变式5】下图所示装置中的NaHCO3溶液可为植物提供CO2，则下列有关叙述错误的是()A若将此装置用来验证CO2是光合作用的原料，则增加的对照组应将NaHCO3溶液替换成等量的NaOH溶液B若用18O标记水槽中的H2O，则一段时间后，玻璃钟罩壁的水珠和罩内的O2都具有放射性 C若将这个装置培养水稻，给水稻植株提供14C标记的CO2,14C首先出现在C3中D若突然停止光照，则植物细胞内C3含量会下降【解析】验证CO2是光合作用的原料，则CO2的有无是本实验的自变量，NaHCO3溶液提供CO2作为实验组，N
23、aOH溶液吸收装置中的CO2作为对照组。标记HO，则通过蒸腾作用，玻璃钟罩壁上的H2O具有放射性，而光合作用释放的O2来源于H2O的光解，所以O2也具有放射性。用14C标记的CO2，在暗反应中首先和C5相结合形成C3，若突然停止光照，被还原的C3减少，则植物细胞内的C3含量会上升。【答案】D【热点考向6】光合作用与呼吸作用的关系【例6】下列关于植物光合作用和细胞呼吸的叙述，正确的是()A无氧和零下低温环境有利于水果的保鲜BCO2的固定过程发生在叶绿体中，C6H12O6分解成 CO2的过程发生在线粒体中C光合作用过程中光能转变为化学能，细胞呼吸过程中化学能转变为热能和ATPD夏季连续阴天，大棚中
24、白天适当增加光照，夜晚适当降低温度，可提高作物产量【解析】水果的保鲜在零上低温、低氧条件下更有利。CO2的固定发生在叶绿体基质中，C6H12O6分解成CO2的第一阶段是在细胞质基质中将C6H12O6分解成丙酮酸，若是有氧呼吸，丙酮酸彻底氧化分解成CO2发生在线粒体中，若是无氧呼吸，则得到酒精和CO2，是在细胞质基质中完成的。光合作用过程中光能转变成化学能，细胞呼吸过程中化学能转变成热能和ATP中活跃的化学能(ATP是物质)，所以A、B、C均错误。【答案】D【变式6】(2010湖南省教育考试院理综能力测试调研卷)下图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时，单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化。图乙表示蓝藻光合作用速率与光照强度的关系。有关说法正确的是()A图甲中，光照强度为b时，光合作用速率等于呼吸作用速率B图甲中，光照强度为d时，单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2C图乙中，光照强度为X时，细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体D图乙中，限制e、f、g点光合作用速率的因素主要是光照强度【答案】B