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高考一轮复习第9讲 光合作用与能量转化学案
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这是一份高考一轮复习第9讲 光合作用与能量转化学案，共28页。
第9讲 光合作用与能量转化
考点内容
核心素养解读
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,转换并储存为糖分子中的化学能
1.分析叶绿体的结构与功能,建立结构与功能观(生命观念)
2.比较光反应和暗反应的过程,培养归纳与概括能力(科学思维)
3.分析叶绿体色素吸收光谱,应用于实际生产生活(社会责任)
4.通过“绿叶中色素的提取和分离”实验,培养实验探究能力(科学探究)
考点一 捕获光能的色素、叶绿体的结构与功能
必备知识·整合
1.叶绿体中色素的种类和颜色
色素的种类
色素的颜色
叶绿素
叶绿素a
蓝绿色
叶绿素b
黄绿色
类胡萝卜素
叶黄素
黄色
胡萝卜素
橙黄色
2.叶绿体中色素的吸收光谱分析
(1)色素的功能:叶绿素主要吸收 红光和蓝紫光 ;类胡萝卜素主要吸收 蓝紫光 。
(2)色素吸收光的范围:可见光的波长是400~760 nm,一般叶绿体中的色素只吸收 可见光 ,对红外光和紫外光不吸收。
3.叶绿体的结构适于进行光合作用的特点
(1) 外膜 和 内膜 使其内部结构与细胞质基质分开,保证了叶绿体相对独立地进行代谢活动。
(2)由 类囊体 堆叠而成的 基粒 ,增大了膜面积。
(3) 类囊体 的薄膜上分布着能够吸收光能的色素。
(4) 叶绿体基质 中还含有少量的DNA和RNA。
(5)与光合作用有关的酶分布在 类囊体的薄膜 上和 叶绿体基质 中。
4.叶绿体的功能
(1)功能:叶绿体是绿色植物进行 光合作用 的场所。
(2)叶绿体功能的实验验证
①实验者:德国科学家恩格尔曼。
②第一个实验
水绵需氧细菌极细光束照射水绵→需氧细菌只集中 分布在叶绿体被光束照射到的部位完全曝光→需氧细菌分布在叶绿体 所有受光的部位
实验结论:O2是由 叶绿体 在 光照 条件下释放出来的, 叶绿体 是光合作用的场所。
③第二个实验
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片,发现大量的需氧细菌聚集在 红光和蓝紫光 区域。
实验结论
a.叶绿体能 吸收光能 用于光合作用放 氧 。
b.叶绿体主要吸收 红光和蓝紫光 。
[特别提醒] 恩格尔曼实验的巧妙之处
(1)实验材料选择巧妙:实验材料选择水绵,水绵不但具有细而长的带状叶绿体,而且叶绿体在细胞中呈螺旋式分布,便于观察实验结果和设置对照。
(2)排除干扰的方法巧妙:没有空气的黑暗环境排除了环境中氧气和光的干扰。
(3)观测指标设计巧妙:通过观测需氧细菌的分布,准确判断出释放氧气的部位。
(4)实验对照设计巧妙:用极细的光束点状投射,使叶绿体上分为获得光照和无光照的部位,相当于一组对照实验;进行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的对照实验,明确实验结果完全是由光照引起的。
1.阳光是由不同波长的光组合成的复合光,在穿过三棱镜时形成的不同颜色的光带叫作光谱。(必修1 P98正文) (√)
2.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同。(必修1 P99图5-12) (√)
3.叶绿体中的色素一般只利用波长在400~760 nm之间的可见光。(必修1 P99学科交叉) (√)
4.叶绿体中的色素主要分布在类囊体腔内。(必修1 P100正文)(✕)
5.光合作用的酶分布于叶绿体内膜、外膜、类囊体薄膜和叶绿体基质中。(必修1 P100正文) (✕)
6.夏天叶片呈绿色是叶片吸收绿光导致的,秋天叶片变黄,是叶黄素含量增多导致的。(必修1 P101概念检测1) (✕)
1.(必修1 P97问题探讨拓展)有的植物工厂在种植蔬菜等植物时,完全依靠LED灯等人工光源,其中常见的是红色、蓝色和白色的光源,这是为什么?
提示:红色光源、蓝色光源发出的分别是红光、蓝光,光合色素对红光、蓝光吸收最多。白光是复合光,含有不同波长的光,光合色素能吸收更多的光。
2.(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里不用发绿光的光源,原因是 绿色光源发出绿色的光,这种波长的光被光合色素吸收的最少,不适合用于植物工厂 。
3.(必修1 P101拓展应用1拓展)海洋中绿藻、褐藻、红藻在海洋中的垂直分布大致依次是浅层、中层、深层,从水层透光与植物光能捕获两个层面进行解释,原因是 藻类本身的颜色是反射出来的光所形成的,即红藻反射出红光,绿藻反射出绿光,褐藻反射出黄光。水对红、橙光的吸收比蓝、绿光的吸收要多,即到达深水层的光线是相对富含短波长的光,因此,吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层,吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方 。
重点疑难·突破
1.影响叶绿素合成的三大因素
(1)光照:光是影响叶绿素合成的主要条件,一般植物在黑暗中不能合成叶绿素,因而叶片发黄。
(2)温度:温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性,进而影响叶绿素的合成。低温时,叶绿素分子易被破坏,而使叶子变黄。
(3)必需元素:叶绿素中含Mg等必需元素,缺乏Mg将导致叶绿素无法合成,叶子变黄。另外,Fe等是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分,缺Fe也将导致叶绿素合成受阻,叶子变黄。
2.光合色素和光合作用场所的三点提醒
(1)色素的功能特点:叶绿素和类胡萝卜素均有主要的吸收光波段,对其他波段的可见光并非不吸收,只是吸收量较少。
(2)色素的分布位置:色素不只分布于叶绿体中,液泡中也含有色素如花青素,但是液泡中的色素不能用于光合作用。
(3)光合作用的场所:叶绿体不是细胞进行光合作用的唯一场所,如蓝细菌细胞中没有叶绿体,也能进行光合作用。
关键能力·提升
考向一 围绕捕获光能的色素与叶绿体的结构,考查生命观念
1.(2021辽宁沈阳36中高三期初测试)高等植物的光合作用依赖光合色素。不同环境条件下,叶绿素a和叶绿素b之间可以相互转化,这种转化称为“叶绿素循环”。研究发现,在适当遮光条件下,叶绿素a/叶绿素b的值会降低,以适应环境。图中②③是两种叶绿素的吸收光谱。下列关于叶绿素的叙述,正确的是 ( )
A.图中②和③主要分布在叶绿体的内膜上
B.利用纸层析法分离色素时,③应位于滤纸条的最下端
C.植物叶片呈现绿色是由于②③主要吸收绿光
D.弱光下②的相对含量增高有利于植物对弱光的利用
1.答案 D 图中②叶绿素b、③叶绿素a主要分布在叶绿体的类囊体膜上,A错误;利用纸层析法分离色素时,②叶绿素b应位于滤纸条的最下端,B错误;植物叶片呈现绿色是由于光合色素吸收绿光最少,C错误。
2.(不定项选择)如图是高等植物叶绿体结构模式图,下列有关叙述错误的是 ( )
A.①和②均为选择透过性膜,分布着与光合作用有关的酶
B.③上分布有与光反应有关的色素和酶,这些色素对绿光吸收最少
C.③上所含色素均含Mg2+,故缺Mg2+时这些色素都无法合成
D.在③上形成的产物NADPH和ATP进入④中为暗反应提供物质和能量
2.答案 AC ①和②分别为叶绿体的外膜和内膜,均具有选择透过性,但没有分布着与光合作用有关的酶,A错误;叶绿素中含Mg2+,胡萝卜素、叶黄素中不含Mg2+,C错误。
考向二 围绕叶绿体的功能的实验探究,考查科学探究能力
3.德国科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的光谱。他将通过三棱镜的光投射到丝状水绵上,并在水绵悬液中放入需氧细菌,观察细菌的聚集情况(如图所示)。他由实验结果得出光合作用在红光区和蓝紫光区最强。这个实验的思路是( )
A.细菌对不同的光反应不一,细菌聚集多的地方,细菌光合作用强
B.需氧细菌聚集多的地方,O2浓度高,水绵光合作用强
C.需氧细菌聚集多的地方,产生的有机物多,水绵光合作用强
D.需氧细菌大量消耗O2,使水绵的光合速率大幅度加快
3.答案 B 需氧细菌不能进行光合作用,该实验中进行光合作用的是水绵,A错误;需氧细菌聚集多的地方,说明光合作用产生的O2多,C错误;水绵光合速率的快慢与需氧细菌呼吸速率无明显关系,D错误。
4.德国科学家恩格尔曼利用一种绿藻(这种绿藻具有螺旋状的叶绿体)研究光对光合作用的效应。他将该种绿藻放在一张载有需氧细菌悬浮液的玻片上,这些细菌会移向氧浓度高的区域。他观察细菌在不同光照下的分布情况,结果如图所示:
(1)B情况下细菌的分布情况为: ,如此分布是因为光合作用释放 。
(2)该实验证实了光合作用的场所是 ,吸收光能的色素和催化反应的酶分别分布在 、 。
(3)恩格尔曼进行装置C的实验,其目的是 ,在 区域的细菌特别多。
4.答案 (1)细菌集中分布在叶绿体周围 O2 (2)叶绿体 类囊体薄膜上 类囊体薄膜上和叶绿体基质中 (3)找出不同颜色的光对光合作用的影响 红光和蓝光
实验 绿叶中色素的提取和分离
必备知识·整合
1.实验原理
2.实验步骤
(1)提取色素
①研磨
操作图解
添加物质
作用
无水乙醇
溶解色素
二氧化硅
研磨充分
碳酸钙
保护色素
②过滤:用 单层尼龙布 过滤。
③收集滤液:试管口加棉塞,防止乙醇挥发和色素氧化。
(2)分离色素
主要操作
操作要点
操作目的
制备滤纸条
预先干燥处理
使层析液在滤纸上快速扩散
一端剪去两角
保证色素在滤纸上扩散
均匀、整齐
画滤液细线
滤液细线要细、直、匀
使 各色素扩散的起点相同
待滤液干后,再画一两次
增加色素附着量,使分离出的色素带分明
层析
加盖
防止层析液挥发
层析液不能触及 滤液细线
防止色素溶解在层析液中
3.实验结果
色素种类
色素颜色
色素含量
溶解度
扩散速度
胡萝卜素
橙黄色
最少
最高
最快
叶黄素
黄色
较少
较高
较快
叶绿素a
蓝绿色
最多
较低
较慢
叶绿素b
黄绿色
较多
最低
最慢
1.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。(必修1 P98探究·实践) (√)
2.未加入CaCO3,叶绿素会被破坏。(必修1 P98探究·实践)(√)
3.滤纸条上扩散速度最快的是叶绿素a。(必修1 P98探究·实践) (✕)
(必修1 P98探究·实践拓展)分离叶绿体中的色素,也可用如图所示的方法:即在圆心处滴加适量滤液,待干燥后再滴加适量层析液进行层析,结果会出现4个不同颜色的同心圆,则①~④依次对应哪种色素及颜色?
提示:①胡萝卜素(橙黄色),②叶黄素(黄色),③叶绿素a(蓝绿色),④叶绿素b(黄绿色)。
重点疑难·突破
四个常见异常现象及其原因分析
异常现象
发生的原因
滤纸条上色素
带颜色过浅
未加二氧化硅或研磨不充分,色素未充分提取出来
使用放置数天的绿叶或绿叶用量少,滤液中的色素(叶绿素)含量太少
一次性加入大量的无水乙醇,导致提取液浓度太低
画滤液细线次数过少
选用绿叶叶脉过多,叶肉细胞过少
滤纸条色素带重叠
滤纸条没经干燥处理
滤液细线不能达到细、齐、直的要求,使色素扩散不一致
滤纸条看不到色素带
忘记画滤液细线
滤液细线触及层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中
滤纸条只呈现胡萝卜
素、叶黄素色素带
忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏
所用叶片为“黄叶”
关键能力·提升
考向一 围绕绿叶中色素的提取和分离实验的基本原理和过程分析,考查科学探究能力
1.(2021四川成都七中高三入学考)关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述,不正确的是 ( )
A.该实验结果表明,叶绿素a在层析液中溶解度最大
B.用无水乙醇作溶剂,提取的叶绿体色素中含有胡萝卜素
C.若研磨时不加二氧化硅,则滤纸条上各色素带均变窄
D.将滤液细线画粗些并不能增强实验效果
1.答案 A 纸层析法分离叶绿体色素的实验结果表明,胡萝卜素在层析液中溶解度最大,A错误。
2.(不定项选择)下列是新鲜绿叶的四种光合色素在滤纸上分离的情况,以下说法正确的是 ( )
A.甲、乙、丙、丁依次表示胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b
B.四种色素都能溶解在层析液中,丁色素的溶解度最大
C.水稻在收获时,叶片中色素量的变化是(甲+乙)<(丙+丁)
D.提取色素时加入碳酸钙是为了研磨充分,加入二氧化硅是为了保护色素
2.答案 BC 根据扩散的距离可判断,甲、乙、丙、丁依次表示叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素,A错误;四种色素都能溶解在层析液中,丁色素(胡萝卜素)扩散最快,溶解度最大,B正确;水稻在收获时呈黄色,叶绿素含量小于类胡萝卜素含量,即(甲+乙)<(丙+丁),C正确;提取色素时加入碳酸钙是为了保护色素,加入二氧化硅是为了研磨充分,D错误。
考向二 围绕绿叶中色素的提取和分离实验的拓展分析,考查科学思维能力
3.在做提取和分离叶绿体中的光合色素实验时,甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示(“+”表示使用,“-”表示未使用),其余操作均正常,他们所得的实验结果依次应为( )
试剂
甲
乙
丙
丁
无水乙醇
-
+
+
+
CaCO3
+
+
-
+
SiO2
+
+
+
-
A.①②③④ B.②④①③
C.④②③① D.③②①④
3.答案 B 甲同学没有加入提取剂无水乙醇,所以提取液中不会出现色素,色素分离的结果是②;乙同学操作正确,色素分离后得到的色素带有四条,与④情况相符;丙同学未加CaCO3,所以叶绿素含量减少,所得到的色素带中两条叶绿素带比正常的叶绿素带要窄,对应①;丁同学未加SiO2,叶片研磨不充分,最终导致各种色素的含量均减少,对应③,B正确。
4.(不定项选择)迁移率(Rf)是用纸层析法分离混合色素中各种成分的重要指标,也可用于各色素的鉴定,迁移率=色素移动距离/溶剂移动距离。下表是叶绿体中色素层析结果(部分数据),相关叙述正确的是 ( )
项目
溶剂移
动距离
色素1
移动距离
色素2
移动距离
色素3
移动距离
色素4
移动距离
实验组1
7.8
1.9
实验组2
8.2
1.5
实验组3
8.0
1.4
平均移
动距离
8.0
7.6
0.8
迁移率
0.95
0.53
0.10
A.可用无水乙醇、丙酮、石油醚等的混合试剂对色素进行分离
B.色素3的迁移率为0.2,若植物体缺Mg2+,其含量会减少
C.在层析液中溶解度最大的是色素1,在滤纸条上扩散速度最快的也是色素1
D.不可用根尖细胞作为该实验的材料
4.答案 BCD 无水乙醇和丙酮可用于提取色素,分离色素应用层析液,A错误。
考点二 光合作用的原理
必备知识·整合
1.光合作用的概念与反应式
(1)概念:指绿色植物通过 叶绿体 ,利用光能,把 二氧化碳和水 转化成储存着能量的有机物,并且释放出 氧气 的过程。
(2)反应式: CO2+H2O(CH2O)+O2 。
2.探索光合作用原理的部分实验
时间
科学家
发现
19世纪末
—
普遍认为,在光合作用中,CO2分子的C和O被分开,O2被释放,C和H2O结合成甲醛,然后甲醛分子缩合成糖
1928年
—
发现 甲醛 对植物有毒害作用,而且甲醛不能通过 光合作用 转化成糖
1937年
英国植物学家希尔
发现 离体叶绿体 的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可以释放出 O2 。像这样,离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作 希尔反应
1941年
美国科学家鲁宾和卡门
用 同位素示踪 的方法,研究了光合作用中氧气的来源
H218O+CO218O2
H2O+C18O2O2
1954年
美国科学家阿尔农
发现在光照下,叶绿体可合成 ATP 。1957年,他发现该过程总是与 水的光解 相伴随
3.光合作用的原理
(1)填写图中序号所代表的物质或结构
① O2 ;② NADP+ ;③ ADP+Pi ;④ C5 。Ⅰ是 光反应 ;Ⅱ是 暗反应 。
(2)光反应与暗反应的比较
项目
光反应阶段
暗反应阶段
区
别
条件
光 、色素、酶、水、ADP、Pi等
多种酶、ATP、NADPH、CO2等
场所
类囊体薄膜
叶绿体基质
物质
变化
①水的光解
2H2O H++O2 ,
H++NADP+ NADPH
②ATP的形成
ADP+Pi+能量ATP
①CO2的固定
CO2+C52C3
②C3的还原
2C3 (CH2O)+C5
能量
变化
光能转变成 ATP和NADPH中活跃的化学能 的能量
ATP和NADPH中活跃的化学能转变成储存在(CH2O)中的稳定的化学能
联系
①光反应为暗反应提供 ATP和NADPH ,暗反应为光反应提供 ADP、Pi、NADP+ 。②没有光反应,则暗反应无法进行,没有暗反应,则有机物无法合成
1.光反应必须在光照下进行,暗反应必须在暗处进行。(必修1 P103正文) (✕)
2.叶绿体中光合色素吸收的光能,一方面用于H2O分解产生氧和NADPH;一方面用于ATP的合成。(必修1 P103正文) (√)
3.水分解为氧和H+的同时,被叶绿体夺去两个电子。电子经传递可用于NADP+与H+结合形成NADPH。(必修1 P103相关信息) (√)
4.NADPH既可作还原剂,又可为暗反应提供能量。(必修1 P103正文) (√)
5.光合作用制造的有机物中的氧来自水。(必修1 P104正文) (✕)
6.C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸,C5是指五碳化合物——核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)。(必修1 P104相关信息) (√)
7.光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,通过韧皮部运输到植株各处。(必修1 P104相关信息) (✕)
8.光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。(必修1 P104正文) (√)
1.(必修1 P102思考·讨论拓展)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,理由是 水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳参与反应,而糖的合成需要碳的参与 。
2.(必修1 P102思考·讨论拓展)模拟鲁宾、卡门的实验时,能对同一实验中的CO2和H2O同时进行标记吗,为什么?
提示:不能,因为若CO2和H2O中的氧均标记,则无法分辨氧气的来源。
3.(必修1 P103图5-14拓展)假如白天突然中断了CO2的供应,叶绿体内首先积累起来的物质是 C5 。突然停止光照,叶绿体内含量减少的物质是 ATP、NADPH、C5 。
4.(必修1 P103图5-14拓展)下图表示绿色植物光合作用的部分过程,图中a~c表示相关物质,甲、乙为结构。
(1)图中所示的过程属于光合作用的 光反应 阶段,甲为 类囊体薄膜 。
(2)图中a为 氧气 ,b为 NADPH 。当外界CO2浓度升高时,b的含量会暂时 下降 。
(3)该过程将光能转化为化学能储存在 b和ATP 中。
(4)乙为叶绿体基质,是 光合作用暗反应 的场所。
重点疑难·突破
1.光合作用反应式中元素去向分析
①H:3H2O3H+(C3H2O)。
②C:14CO214C3(14CH2O)。
③O:H218O18O2;
C18O2C3(CH218O)。
2.环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质变化
如图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
(2)“模型法”表示C3和C5等的含量变化
[特别提醒]
(1)C5、NADPH、ATP的变化一致。C3与C5、NADPH、ATP的变化相反。
(2)C3量高于C5量,一般C3量为C5量的2倍。
(3)对光合作用有利,则(CH2O)合成增加,反之则减少。
3.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累,在光反应停止时,暗反应仍可持续进行一段时间,有机物还能继续合成。
(2)在总光照时间相同的条件下,光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。
(3)应用:人工补光时,可适当采用“光暗交替”策略,这样,在提高光合产量的情况下,可大量节省能源成本。
关键能力·提升
考向一 结合光合作用的探究历程,考查科学思维与科学探究能力
1.科学是在实验和争论中前进的,光合作用的探究历程就是如此。在下面几个关于光合作用的实验中,相关叙述正确的是 ( )
A.恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量
B.科学家发现甲醛是光合作用的原料
C.希尔发现离体叶绿体在适宜条件下可释放O2
D.鲁宾和卡门的实验中,用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用产生的氧气来自CO2而不是H2O
1.答案 C 恩格尔曼的实验证明了水绵光合作用生成氧气,没有定量分析生成氧气的量,A错误;甲醛对植物有害,不能作为原料参与光合作用,B错误;鲁宾、卡门实验证明O2来自H2O,D错误。
2.(2021安徽合肥调研)英国植物学家希尔发现:在光下,若给含叶绿体的叶片提取液(淡绿色)提供特定的可与氢离子结合的氢受体2,6-D(一种墨绿色染料,接受氢离子并被还原后呈无色),在无CO2时进行光照,可观察到提取液由墨绿色变为淡绿色,并释放出O2;但放在暗处,则试管中的液体仍为墨绿色,且无O2的释放,如图所示。下列有关该实验的叙述和推论,错误的是 ( )
A.该实验证明了光照条件下释放的氧气完全来自H2O的光解
B.该实验证明了光照条件下叶绿体内产生了还原性物质
C.若给A组提供14CO2等物质,可能会检测到(14CH2O)的生成
D.该实验无法证明叶绿体是植物细胞合成糖类的场所
2.答案 A 根据题干信息和图分析,A组光照和无二氧化碳条件下,叶绿体产生了氧气,且提取液的颜色由墨绿色变成了淡绿色,说明叶绿体在光照条件下产生了氢离子和氧气,且氢离子与氢受体2,6-D结合;B组黑暗条件下,没有氧气释放,溶液仍然为墨绿色,说明叶绿体在黑暗条件下不能产生氢离子和氧气,A错误。
考向二 结合光合作用的原理,考查科学思维能力
3.(不定项选择)植物叶肉细胞的部分代谢过程如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.NADP+在光反应过程与电子和质子结合,形成还原型的NADPH
B.突然停止供应CO2,叶绿体内NADPH和ATP含量增加
C.类囊体膜上的类胡萝卜素能吸收红光和蓝紫光用于光合作用
D.图中H+通过主动运输从类囊体膜内运到膜外
3.答案 AB 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,不吸收红光,C错误;由图可知,H+从类囊体膜内运到膜外是顺浓度梯度,故为协助扩散,D错误。
4.(不定项选择)(2021四川成都七中高三入学考)下图为光合作用暗反应的产物磷酸丙糖的代谢途径,研究表明,磷酸丙糖转移蛋白(TPT)的活性是限制光合速率大小的重要因素,CO2充足时,TPT活性降低。下列有关叙述正确的是 ( )
A.Pi输入叶绿体减少时,磷酸丙糖从叶绿体输出减少
B.暗反应中磷酸丙糖的合成需要消耗光反应产生的ATP
C.叶肉细胞的光合产物主要是以蔗糖形式运出细胞的
D.农业生产上可通过增加CO2来提高作物中蔗糖的含量
4.答案 ABC 根据题意可知,CO2充足时,TPT活性降低,则磷酸丙糖运出叶绿体合成蔗糖的过程会受到影响,作物中淀粉含量会上升,而蔗糖含量下降,D错误。
考向三 围绕不同条件下光合作用过程中物质含量的变化分析,考查科学思维能力
5.(2020福建厦门阶段检测)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化,下列说法正确的是 ( )
A.突然中断CO2供应,会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小
B.突然中断CO2供应,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C.突然将红光改变为绿光,会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D.突然将绿光改变为红光,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
5.答案 B 突然中断CO2供应,导致CO2的固定速率降低,叶绿体中C5含量增加、C3含量减少,因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增加,A错误;突然将红光改变为绿光后,光能利用率降低,ATP和NADPH含量减少,进而使C3含量增加、C5含量减少,因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大,C错误;突然将绿光改变为红光后,光能利用率提高,ATP和NADPH含量增加,ATP/ADP的值增加,D错误。
高考真题再现
1.(2020江苏单科,6,2分)采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验,下列叙述错误的是 ( )
A.提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂
B.研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏
C.研磨时添加石英砂有助于色素提取
D.画滤液细线时应尽量减少样液扩散
1.答案 B 叶绿体色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,故可以用无水乙醇提取叶绿体色素,A正确;研磨时应加入CaCO3,其可以中和酸性物质,防止叶绿素被破坏,B错误;研磨时添加石英砂(SiO2)有助于对菠菜叶的充分研磨,易于提取色素,C正确;在滤纸条上画滤液细线时,要用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,干后再重复画一到两次,画滤液细线时要细且齐,若滤液扩散会导致细线不齐,可能出现色素带重叠现象,D正确。
2.(2019江苏单科,17,2分)如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果,样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝藻经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列叙述正确的是 ( )
A.研磨时加入CaCO3过量会破坏叶绿素
B.层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液
C.在敞开的烧杯中进行层析时,需通风操作
D.实验验证了该种蓝藻没有叶绿素b
2.答案 D 光合色素提取过程中加入的CaCO3可保护叶绿素,CaCO3过量不会破坏叶绿素,A错误;光合色素溶于有机溶剂,层析液可用石油醚、丙酮和苯的混合物,不可用生理盐水或磷酸盐缓冲液,B错误;层析液中含有毒性的挥发性物质,层析时,应用培养皿盖住烧杯,并且在通风好的条件下进行,C错误;对比两条滤纸条,可知该种蓝藻(蓝细菌)无叶绿素b,D正确。
3.(2019课标全国Ⅰ,3,6分)将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中,一段时间后植株达到40 g,其增加的质量来自 ( )
A.水、矿质元素和空气 B.光、矿质元素和水
C.水、矿质元素和土壤 D.光、矿质元素和空气
3.答案 A 该黄瓜幼苗质量增加部分可分为干重的增加和含水量的增加,干重增加量来源于从土壤中吸收的矿质元素及利用CO2(空气)和H2O合成的有机物。故选A。
4.(2019海南单科,9,2分)下列关于高等植物光合作用的叙述,错误的是 ( )
A.光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能
B.红光照射时,胡萝卜素吸收的光能可传递给叶绿素a
C.光反应中,将光能转变为化学能需要有ADP的参与
D.红光照射时,叶绿素b吸收的光能可用于光合作用
4.答案 B 光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能,但需要利用光反应阶段形成的NADPH和ATP,A正确;胡萝卜素不能吸收红光,B错误;光反应中,将光能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能,需要有ADP和Pi等的参与,C正确;红光照射时,叶绿素b吸收的光能可用于光合作用,光能可以转变为ATP和NADPH中活跃的化学能,D正确。
5.(2018北京理综,3,6分)光反应在叶绿体类囊体上进行。在适宜条件下,向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP,照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色。该反应过程中 ( )
A.需要ATP提供能量 B.DCIP被氧化
C.不需要光合色素参与 D.会产生氧气
5.答案 D 光反应过程中,光合色素利用光能,将水分解成H+和氧气,H+与NADP+结合形成NADPH,同时在有关酶的催化作用下,ADP与Pi发生化学反应,生成ATP,A、C错误,D正确;光反应产生的NADPH将DCIP还原,使之由蓝色逐渐变为无色,B错误。
6.(2017课标全国Ⅲ,3,6分)植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是 ( )
A.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
B.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
C.光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示
D.叶片在640~660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的
6.答案 A 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光而不吸收红光,A错误;不同光合色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,B正确;光合作用光反应阶段色素对光的吸收会影响暗反应阶段对CO2的利用,所以光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示,C正确;640~660 nm波长的光属于红光区,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,所以叶片在640~660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的,D正确。
7.(2020山东,21,9分)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。
7.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
解析 (1)该系统中的模块1和模块2的功能相当于光合作用光反应阶段的光合色素对光能的吸收和水的光解。模块1和模块2可将光能转化为电能再转化为化学能储存在ATP和NADPH中。模块3的功能相当于光合作用的暗反应,甲与CO2结合完成CO2的固定,甲为五碳化合物(或:C5)。(2)正常运转过程中气泵突然停转,系统中CO2突然减少,CO2的固定减弱,但短时间内C3的还原不变,则短时间内乙(C3)的含量将减少。若气泵停转时间较长,则模块3为模块2提供的原料ADP、Pi和NADP+就会不足,进而影响模块2中的能量转换效率。(3)在与植物光合作用固定CO2量相等的情况下,该系统只进行光合作用,不进行呼吸作用,只有糖类的积累,没有糖类的消耗,所以该系统糖类的积累量高于植物。(4)干旱条件下,很多植物为了减弱蒸腾作用、减少水分散失,会降低叶片气孔开放程度,从而减少对CO2的吸收,CO2的吸收量减少会使植物光合作用速率降低。
一、单项选择题
1.(2021黑龙江哈尔滨三中高三验收考)下列有关叶绿体中色素提取、分离实验的叙述,正确的是 ( )
A.先用层析液提取色素,再用无水乙醇分离色素
B.改变滤液细线的宽度做纸层析,可以探究滤液细线的宽度对实验的影响
C.用滤纸对研磨液进行过滤后,立即用棉塞塞紧试管口
D.画滤液细线时最好用毛细吸管连续画线2~3次
1.答案 B 提取叶绿体中的色素需要用无水乙醇,而色素的分离需要用层析液,A错误;对研磨液进行过滤应用单层尼龙布,不能用滤纸,C错误;画滤液细线时画线一次后,需要等到滤液干后,再进行画线操作,D错误。
2.(2021辽宁沈阳36中高三期初测试)如图是小明同学利用新鲜菠菜叶做“新鲜菠菜叶片内叶绿体中色素的提取和分离实验”的实验结果,老师认为实验结果不理想,则产生此结果最可能的原因是 ( )
A.误用蒸馏水作提取液和层析液
B.研磨时未加入SiO2
C.实验材料自身有问题
D.研磨时未加入CaCO3
2.答案 D 误用蒸馏水作提取液和层析液,会导致图中没有色素带出现,A错误;研磨时未加入SiO2,会导致各色素相对含量低,B错误;实验中用的是新鲜菠菜叶,是很好的实验材料,C错误。
3.下列有关叶绿体的叙述,正确的是 ( )
A.叶肉细胞中的叶绿体在光下和黑暗中均可生成ATP
B.经黑暗处理后叶肉细胞内淀粉等被输出消耗,此时叶绿体内不含糖类
C.叶绿体中含有RNA聚合酶,体现了细胞内基因的选择性表达
D.叶绿体产生O2和线粒体产生H2O均在生物膜上进行
3.答案 D 叶绿体只有在光下才能发生光反应形成ATP,黑暗中叶绿体内不具有形成ATP的条件,A错误;经黑暗处理过的叶肉细胞会向其他部位输出淀粉等有机物,但叶绿体中的DNA、RNA中分别含有脱氧核糖、核糖,B错误;RNA聚合酶在细胞中普遍存在,没有体现基因的选择性表达,C错误。
4.为研究光反应中ATP产生的原理,有科学家进行如下实验:将叶绿体类囊体置于pH为4的琥珀酸溶液后,琥珀酸进入类囊体腔,腔内的pH下降为4;然后把悬浮液的pH迅速上升为8,此时类囊体内pH为4,类囊体外pH为8,在有ADP和Pi存在时类囊体生成ATP,对实验条件和结论分析正确的是 ( )
A.黑暗中进行,结果表明:H+能通过自由扩散进入类囊体
B.光照下进行,结果支持:合成ATP的能量直接来自色素吸收的光能
C.黑暗中进行,结果支持:光反应使类囊体内外产生H+浓度差,推动ATP合成
D.光照下进行,结果表明:光反应产生的NADPH参与暗反应中C3的还原
4.答案 C H+通过主动运输进入类囊体,A错误;光照下进行,由题干信息无法得出合成ATP的能量直接来自色素吸收的光能,B错误;暗反应的场所是叶绿体基质,不是类囊体,因此,此实验不能表明光反应产生的NADPH参与暗反应中C3的还原,D错误。
5.据下面光合作用图示判断,下列叙述不正确的是 ( )
A.⑤过程发生于叶绿体类囊体薄膜上
B.⑥过程发生于细胞质基质中
C.如用14C标记CO2来追踪光合作用过程中的碳原子,则14C的转移途径为14CO2→14C3→糖类
D.NADPH既可作还原剂,也可为暗反应提供能量
5.答案 B 根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥⑦分别表示NADPH、ATP、CO2、(CH2O)、光反应、暗反应和NADP+。光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上,暗反应发生在叶绿体基质中,A正确,B错误;光合作用过程中,CO2首先与C5相结合形成C3,然后C3被还原形成糖类等,C正确;NADPH既可作还原剂,也可为暗反应提供能量,D正确。
6.(2020江西南昌二中月考)离体的叶绿体在光照下进行稳定的光合作用时,如果突然改变某种条件,短时间内C3化合物增多、C5化合物减少,改变的条件可能是 ( )
A.降低光照强度 B.降低CO2的浓度
C.适当提高温度 D.紫色透明薄膜换成无色
6.答案 A 降低CO2的浓度,短时间内CO2固定减慢,C3还原速率不变,故C3减少,C5增多,B错误;适当提高温度对CO2的固定和还原均有影响,不能判断C3、C5的变化,C错误;紫色透明薄膜换成无色后通过的光质增多,即增大了光照强度,光反应产生的NADPH和ATP增加,C3的还原加快,短时间内CO2的固定速率不变,故C3减少,C5增多,D错误。
7.(2020湖北武汉质量检测)将小球藻置于缺氧缺CO2条件下,进行5~10分钟光照处理,立刻移向黑暗环境中供给14CO2,小球藻合成了(14CH2O)。下列叙述正确的是 ( )
A.在缺氧缺CO2条件下光照会导致叶绿体中NADPH减少
B.移向黑暗环境中供给14CO2后小球藻会向细胞外释放O2
C.供给14CO2后叶绿体中14C3含量先增加后逐渐减少为0
D.该实验不能证明小球藻利用光能和利用CO2的场所不同
7.答案 D 在缺氧缺CO2条件下,给予光照条件叶肉细胞中会进行光反应,因此,不会导致叶绿体中NADPH减少,A错误;移向黑暗环境中供给14CO2后,小球藻会吸收二氧化碳进行一段时间的暗反应过程,此时由于缺乏光照条件,不会进行光反应向细胞外释放O2,B错误;供给14CO2后叶绿体中14C3含量先增加而后逐渐减少并趋于稳定,不会减少到0,C错误。
二、不定项选择题
8.如图表示新鲜菠菜叶中四种色素的相对含量及其在滤纸上的分离情况,下列分析错误的是 ( )
A.叶绿体中的四种色素均分布在类囊体薄膜上
B.四种色素均主要吸收蓝紫光和红光
C.四种色素在层析液中溶解度最大的是Ⅲ
D.发黄的菠菜叶色素含量显著减少的是Ⅲ和Ⅳ
8.答案 BC 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,B错误;根据图中显示的四种色素的相对含量及其与滤液细线的距离可以推知,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所指的色素分别是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b,四种色素在层析液中溶解度最大的是Ⅰ,C错误。
9.研究者使用同位素18O标记水和碳酸氢钠中的部分氧原子,加入三组小球藻培养液中,记录反应起始时水和碳酸氢钠中18O的比例,光照一段时间后,分别检测小球藻释放的氧气中18O的比例,实验结果如下表所示。下列相关叙述正确的是( )
组别
起始时水中
18O的比例(%)
起始时HCO3-中
18O的比例(%)
释放的O2中
18O的比例(%)
1
0.85
0.41
0.84
2
0.85
0.55
0.85
3
0.85
0.61
0.85
A.18O2是在小球藻叶绿体的类囊体薄膜上生成的
B.HCO3-可为小球藻的光合作用提供碳元素
C.HCO3-中18O的比例不同导致放氧速率不同
D.释放的O2中18O的比例与水中的相近,推测O2中的氧原子来自水
9.答案 ABD 光合作用光反应阶段,水在光下分解释放氧气,该过程在叶绿体的类囊体薄膜上进行,A正确;碳酸氢钠释放CO2,为光合作用提供碳元素,B正确;释放的O2中18O的比例与起始水中18O比例一致,与HCO3-中18O的比例不同,推知O2中的氧原子来自水,放氧速率与HCO3-中18O的比例不同无关,C错误,D正确。
10.(2020山东济宁一中二检)科学家向小球藻培养液中通入14CO2,给予实验装置不同时间光照,结果如表所示。
实验组别
光照时间(s)
放射性物质分布
1
2
大量3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
2
20
12种磷酸化糖类
3
60
除上述12种磷酸化糖类外,还有氨基酸、有机酸等
根据上述实验结果分析,下列叙述正确的是 ( )
A.暗反应最初形成的主要是3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
B.本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段
C.3-磷酸甘油酸可直接转化成氨基酸、有机酸等
D.实验结果说明小球藻光合作用产物是糖类、氨基酸和有机酸等
10.答案 ABD 由表格可知,CO2进入叶绿体后,最初形成的物质是3-磷酸甘油酸(三碳化合物),A正确;由题意可知,实验用同位素标记法探究CO2中的碳元素的去向,故本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段,B正确;根据时间先后分析,3-磷酸甘油酸要先转化成12种磷酸化糖类,然后才转化成氨基酸、有机酸等,C错误;表格中的数据说明光合作用产物除了糖类外,还有氨基酸、有机酸等其他有机物,D正确。
三、非选择题
11.(2020江西上饶中学6月模拟)某科研人员研究不同遮光处理对白桦光合作用生理特性的影响结果如图。
(1)叶片中叶绿素含量是维持植物正常光合作用的主要指标,叶绿素主要存在于白桦叶片的 (具体部位)中,通过图示的结果发现白桦叶绿素含量随 而增加,提高了白桦在弱光环境下的捕光能力。研究发现植物体内的叶绿素处于不断地合成和分解中,请从该角度去解释叶绿素含量增加的原因: 。
(2)叶绿素b/叶绿素a的值可作为植物利用弱光能力的判断指标,研究人员发现遮光处理提高了白桦叶绿素b/叶绿素a的值。通过高中课本 实验可以验证该结论。你的实验证据是 。
11.答案 (1)叶绿体类囊体薄膜 遮光程度的增加 叶绿素的合成量变化不大,分解量减少(或叶绿素的合成量增加,分解量变化不大或叶绿素的合成量增加,分解量减少) (2)色素的提取和分离 遮光组滤纸条上黄绿色的色素带宽度与蓝绿色的色素带宽度的比值大于非遮光组
解析 (1)叶绿素存在于叶绿体类囊体薄膜上。叶绿素具有捕获光能的作用,图示横坐标表示不同遮光处理,纵坐标表示叶绿素含量,分析题图可知,随着遮光程度的增加,白桦叶绿素含量逐渐增加,提高了白桦在弱光环境下的捕光能力。植物体内的叶绿素处于不断地合成和分解中,这说明植物体内的叶绿素含量是其合成量与分解量的差值,因此叶绿素含量增加的原因是叶绿素的合成量变化不大,分解量减少或叶绿素的合成量增加,分解量变化不大或叶绿素的合成量增加,分解量减少。(2)观察比较滤纸条上蓝绿色条带(叶绿素a)和黄绿色条带(叶绿素b)的宽度可确定叶绿素a和叶绿素b的含量,从而确定遮光处理是否提高了叶绿素b/叶绿素a的值。若遮光处理提高了白桦叶绿素b/叶绿素a的值,则遮光组滤纸条上黄绿色的色素带宽度与蓝绿色的色素带宽度的比值大于非遮光组的。
12.为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响,科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定,每组处理的总时间均为135 s,处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下:
A组:先光照后黑暗,时间各为67.5 s;光合作用产物的相对含量为50%。
B组:先光照后黑暗,光照和黑暗交替处理,每次光照和黑暗时间各为7.5 s;光合作用产物的相对含量为70%。
C组:先光照后黑暗,光照和黑暗交替处理,每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒);光合作用产物的相对含量为94%。
D组(对照组):光照时间为135 s;光合作用产物的相对含量为100%。
回答下列问题:
(1)单位光照时间内,C组植物合成有机物的量 (填“高于”“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量,依据是 ;C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要 ,这些反应发生的部位是叶绿体的 。
(2)A、B、C三组处理相比,随着 的增加,光下产生的 能够及时利用与及时再生,从而提高了光合作用中CO2的同化量。
12.答案 (1)高于 C组只用了D组一半的光照时间,其光合作用产物的相对含量却是D组的94% 光照 基质 (2)光照和黑暗交替频率 ATP和还原型辅酶Ⅱ
解析 (1)对比C、D两组实验,C组光照和黑暗交替处理,D组只有光照,但C组光合作用产物的相对含量是D组的94%,故单位光照时间内C组植物合成有机物的量高于D组。分析C组和D组实验,可推知光合作用中有些反应不需要光照,这些反应发生在叶绿体的基质中。(2)对比A、B、C三组实验,在总时间相同的情况下,随着光照和黑暗交替频率的增加,光合作用产物的相对含量也增加。究其根本原因是光照与黑暗的交替频率越高,光下产生的还原型辅酶Ⅱ和ATP越能及时利用并及时再生,从而提高了光合作用中CO2的同化量。
13.(2020山东威海一模)RuBisCo普遍分布于玉米、大豆等植物的叶绿体中,它是光呼吸(细胞在有光、高O2、低CO2情况下发生的生化反应)中不可缺少的加氧酶,也是卡尔文循环中固定CO2最关键的羧化酶。RuBisCo能以五碳化合物(RuBP)为底物,在CO2/O2值高时,使其结合CO2发生羧化,在CO2/O2值低时,使其结合O2发生氧化,具体过程如图所示。
(1)玉米、大豆等植物的叶片中消耗O2的场所有 。从能量代谢的角度看,光呼吸和有氧呼吸最大的区别是 。
(2)科研人员利用大豆来探究光呼吸抑制剂亚硫酸氢钠的增产效果。
①亚硫酸氢钠可通过改变二碳化合物(乙醇酸)氧化酶的 来抑制该酶的活性,从而抑制光呼吸的进行。另外,亚硫酸氢钠还能促进色素对光能的捕捉,从而促进 的进行。
②为探究亚硫酸氢钠使大豆增产的适宜浓度,一般要先进行预实验,目的是 。
③喷施适宜浓度的亚硫酸氢钠溶液后,大豆单位时间内释放氧气的量较喷施前 (填“增多”“减少”或“不变”),原因是 。
13.答案 (1)叶绿体(基质)、线粒体(内膜) 光呼吸消耗ATP(能量),有氧呼吸产生ATP(能量) (2)①空间结构 光反应(光合作用) ②为进一步的实验探究条件;检验实验设计的科学性和可行性;避免盲目开展实验造成人力、物力、财力的浪费 ③增多 光能利用增加,水的光解加快;亚硫酸氢钠通过抑制乙醇酸氧化酶的活性,进而抑制了光呼吸的进行
解析 (1)玉米、大豆等植物通过有氧呼吸消耗氧气的场所是线粒体内膜,通过光呼吸消耗氧气的场所是叶绿体基质。由图可知,光呼吸消耗ATP,故从能量代谢的角度看,光呼吸和有氧呼吸最大的区别是光呼吸消耗ATP,有氧呼吸产生ATP。(2)①二碳化合物氧化酶在光呼吸中发挥作用,亚硫酸氢钠可通过改变二碳化合物氧化酶的空间结构来抑制该酶的活性,从而抑制光呼吸的进行。另外,亚硫酸氢钠还能促进色素对光能的捕捉,从而通过促进光反应的进行而提高光合作用强度。②预实验可以为进一步的实验探究条件;检验实验设计的科学性和可行性;避免盲目开展实验造成人力、物力、财力的浪费。③喷施适宜浓度的亚硫酸氢钠溶液后,亚硫酸氢钠通过抑制乙醇酸氧化酶的活性,进而抑制了光呼吸进行,大豆对光能的利用增加,水的光解加快,故大豆单位时间内释放氧气的量较喷施前增多。
第9讲 光合作用与能量转化
考点内容
核心素养解读
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,转换并储存为糖分子中的化学能
1.分析叶绿体的结构与功能,建立结构与功能观(生命观念)
2.比较光反应和暗反应的过程,培养归纳与概括能力(科学思维)
3.分析叶绿体色素吸收光谱,应用于实际生产生活(社会责任)
4.通过“绿叶中色素的提取和分离”实验,培养实验探究能力(科学探究)
考点一 捕获光能的色素、叶绿体的结构与功能
必备知识·整合
1.叶绿体中色素的种类和颜色
色素的种类
色素的颜色
叶绿素
叶绿素a
蓝绿色
叶绿素b
黄绿色
类胡萝卜素
叶黄素
黄色
胡萝卜素
橙黄色
2.叶绿体中色素的吸收光谱分析
(1)色素的功能:叶绿素主要吸收 红光和蓝紫光 ;类胡萝卜素主要吸收 蓝紫光 。
(2)色素吸收光的范围:可见光的波长是400~760 nm,一般叶绿体中的色素只吸收 可见光 ,对红外光和紫外光不吸收。
3.叶绿体的结构适于进行光合作用的特点
(1) 外膜 和 内膜 使其内部结构与细胞质基质分开,保证了叶绿体相对独立地进行代谢活动。
(2)由 类囊体 堆叠而成的 基粒 ,增大了膜面积。
(3) 类囊体 的薄膜上分布着能够吸收光能的色素。
(4) 叶绿体基质 中还含有少量的DNA和RNA。
(5)与光合作用有关的酶分布在 类囊体的薄膜 上和 叶绿体基质 中。
4.叶绿体的功能
(1)功能:叶绿体是绿色植物进行 光合作用 的场所。
(2)叶绿体功能的实验验证
①实验者:德国科学家恩格尔曼。
②第一个实验
水绵需氧细菌极细光束照射水绵→需氧细菌只集中 分布在叶绿体被光束照射到的部位完全曝光→需氧细菌分布在叶绿体 所有受光的部位
实验结论:O2是由 叶绿体 在 光照 条件下释放出来的, 叶绿体 是光合作用的场所。
③第二个实验
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片,发现大量的需氧细菌聚集在 红光和蓝紫光 区域。
实验结论
a.叶绿体能 吸收光能 用于光合作用放 氧 。
b.叶绿体主要吸收 红光和蓝紫光 。
[特别提醒] 恩格尔曼实验的巧妙之处
(1)实验材料选择巧妙:实验材料选择水绵,水绵不但具有细而长的带状叶绿体,而且叶绿体在细胞中呈螺旋式分布,便于观察实验结果和设置对照。
(2)排除干扰的方法巧妙:没有空气的黑暗环境排除了环境中氧气和光的干扰。
(3)观测指标设计巧妙:通过观测需氧细菌的分布,准确判断出释放氧气的部位。
(4)实验对照设计巧妙:用极细的光束点状投射,使叶绿体上分为获得光照和无光照的部位,相当于一组对照实验;进行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的对照实验,明确实验结果完全是由光照引起的。
1.阳光是由不同波长的光组合成的复合光,在穿过三棱镜时形成的不同颜色的光带叫作光谱。(必修1 P98正文) (√)
2.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同。(必修1 P99图5-12) (√)
3.叶绿体中的色素一般只利用波长在400~760 nm之间的可见光。(必修1 P99学科交叉) (√)
4.叶绿体中的色素主要分布在类囊体腔内。(必修1 P100正文)(✕)
5.光合作用的酶分布于叶绿体内膜、外膜、类囊体薄膜和叶绿体基质中。(必修1 P100正文) (✕)
6.夏天叶片呈绿色是叶片吸收绿光导致的,秋天叶片变黄,是叶黄素含量增多导致的。(必修1 P101概念检测1) (✕)
1.(必修1 P97问题探讨拓展)有的植物工厂在种植蔬菜等植物时,完全依靠LED灯等人工光源,其中常见的是红色、蓝色和白色的光源,这是为什么?
提示:红色光源、蓝色光源发出的分别是红光、蓝光,光合色素对红光、蓝光吸收最多。白光是复合光,含有不同波长的光,光合色素能吸收更多的光。
2.(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里不用发绿光的光源,原因是 绿色光源发出绿色的光,这种波长的光被光合色素吸收的最少,不适合用于植物工厂 。
3.(必修1 P101拓展应用1拓展)海洋中绿藻、褐藻、红藻在海洋中的垂直分布大致依次是浅层、中层、深层,从水层透光与植物光能捕获两个层面进行解释,原因是 藻类本身的颜色是反射出来的光所形成的,即红藻反射出红光,绿藻反射出绿光,褐藻反射出黄光。水对红、橙光的吸收比蓝、绿光的吸收要多,即到达深水层的光线是相对富含短波长的光,因此,吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层,吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方 。
重点疑难·突破
1.影响叶绿素合成的三大因素
(1)光照:光是影响叶绿素合成的主要条件,一般植物在黑暗中不能合成叶绿素,因而叶片发黄。
(2)温度:温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性,进而影响叶绿素的合成。低温时,叶绿素分子易被破坏,而使叶子变黄。
(3)必需元素:叶绿素中含Mg等必需元素,缺乏Mg将导致叶绿素无法合成,叶子变黄。另外,Fe等是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分,缺Fe也将导致叶绿素合成受阻,叶子变黄。
2.光合色素和光合作用场所的三点提醒
(1)色素的功能特点:叶绿素和类胡萝卜素均有主要的吸收光波段,对其他波段的可见光并非不吸收,只是吸收量较少。
(2)色素的分布位置:色素不只分布于叶绿体中,液泡中也含有色素如花青素,但是液泡中的色素不能用于光合作用。
(3)光合作用的场所:叶绿体不是细胞进行光合作用的唯一场所,如蓝细菌细胞中没有叶绿体,也能进行光合作用。
关键能力·提升
考向一 围绕捕获光能的色素与叶绿体的结构,考查生命观念
1.(2021辽宁沈阳36中高三期初测试)高等植物的光合作用依赖光合色素。不同环境条件下,叶绿素a和叶绿素b之间可以相互转化,这种转化称为“叶绿素循环”。研究发现,在适当遮光条件下,叶绿素a/叶绿素b的值会降低,以适应环境。图中②③是两种叶绿素的吸收光谱。下列关于叶绿素的叙述,正确的是 ( )
A.图中②和③主要分布在叶绿体的内膜上
B.利用纸层析法分离色素时,③应位于滤纸条的最下端
C.植物叶片呈现绿色是由于②③主要吸收绿光
D.弱光下②的相对含量增高有利于植物对弱光的利用
1.答案 D 图中②叶绿素b、③叶绿素a主要分布在叶绿体的类囊体膜上,A错误;利用纸层析法分离色素时,②叶绿素b应位于滤纸条的最下端,B错误;植物叶片呈现绿色是由于光合色素吸收绿光最少,C错误。
2.(不定项选择)如图是高等植物叶绿体结构模式图,下列有关叙述错误的是 ( )
A.①和②均为选择透过性膜,分布着与光合作用有关的酶
B.③上分布有与光反应有关的色素和酶,这些色素对绿光吸收最少
C.③上所含色素均含Mg2+,故缺Mg2+时这些色素都无法合成
D.在③上形成的产物NADPH和ATP进入④中为暗反应提供物质和能量
2.答案 AC ①和②分别为叶绿体的外膜和内膜,均具有选择透过性,但没有分布着与光合作用有关的酶,A错误;叶绿素中含Mg2+,胡萝卜素、叶黄素中不含Mg2+,C错误。
考向二 围绕叶绿体的功能的实验探究,考查科学探究能力
3.德国科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的光谱。他将通过三棱镜的光投射到丝状水绵上,并在水绵悬液中放入需氧细菌,观察细菌的聚集情况(如图所示)。他由实验结果得出光合作用在红光区和蓝紫光区最强。这个实验的思路是( )
A.细菌对不同的光反应不一,细菌聚集多的地方,细菌光合作用强
B.需氧细菌聚集多的地方,O2浓度高,水绵光合作用强
C.需氧细菌聚集多的地方,产生的有机物多,水绵光合作用强
D.需氧细菌大量消耗O2,使水绵的光合速率大幅度加快
3.答案 B 需氧细菌不能进行光合作用,该实验中进行光合作用的是水绵,A错误;需氧细菌聚集多的地方,说明光合作用产生的O2多,C错误;水绵光合速率的快慢与需氧细菌呼吸速率无明显关系,D错误。
4.德国科学家恩格尔曼利用一种绿藻(这种绿藻具有螺旋状的叶绿体)研究光对光合作用的效应。他将该种绿藻放在一张载有需氧细菌悬浮液的玻片上,这些细菌会移向氧浓度高的区域。他观察细菌在不同光照下的分布情况,结果如图所示:
(1)B情况下细菌的分布情况为: ,如此分布是因为光合作用释放 。
(2)该实验证实了光合作用的场所是 ,吸收光能的色素和催化反应的酶分别分布在 、 。
(3)恩格尔曼进行装置C的实验,其目的是 ,在 区域的细菌特别多。
4.答案 (1)细菌集中分布在叶绿体周围 O2 (2)叶绿体 类囊体薄膜上 类囊体薄膜上和叶绿体基质中 (3)找出不同颜色的光对光合作用的影响 红光和蓝光
实验 绿叶中色素的提取和分离
必备知识·整合
1.实验原理
2.实验步骤
(1)提取色素
①研磨
操作图解
添加物质
作用
无水乙醇
溶解色素
二氧化硅
研磨充分
碳酸钙
保护色素
②过滤:用 单层尼龙布 过滤。
③收集滤液:试管口加棉塞,防止乙醇挥发和色素氧化。
(2)分离色素
主要操作
操作要点
操作目的
制备滤纸条
预先干燥处理
使层析液在滤纸上快速扩散
一端剪去两角
保证色素在滤纸上扩散
均匀、整齐
画滤液细线
滤液细线要细、直、匀
使 各色素扩散的起点相同
待滤液干后,再画一两次
增加色素附着量,使分离出的色素带分明
层析
加盖
防止层析液挥发
层析液不能触及 滤液细线
防止色素溶解在层析液中
3.实验结果
色素种类
色素颜色
色素含量
溶解度
扩散速度
胡萝卜素
橙黄色
最少
最高
最快
叶黄素
黄色
较少
较高
较快
叶绿素a
蓝绿色
最多
较低
较慢
叶绿素b
黄绿色
较多
最低
最慢
1.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。(必修1 P98探究·实践) (√)
2.未加入CaCO3,叶绿素会被破坏。(必修1 P98探究·实践)(√)
3.滤纸条上扩散速度最快的是叶绿素a。(必修1 P98探究·实践) (✕)
(必修1 P98探究·实践拓展)分离叶绿体中的色素,也可用如图所示的方法:即在圆心处滴加适量滤液,待干燥后再滴加适量层析液进行层析,结果会出现4个不同颜色的同心圆,则①~④依次对应哪种色素及颜色?
提示:①胡萝卜素(橙黄色),②叶黄素(黄色),③叶绿素a(蓝绿色),④叶绿素b(黄绿色)。
重点疑难·突破
四个常见异常现象及其原因分析
异常现象
发生的原因
滤纸条上色素
带颜色过浅
未加二氧化硅或研磨不充分,色素未充分提取出来
使用放置数天的绿叶或绿叶用量少,滤液中的色素(叶绿素)含量太少
一次性加入大量的无水乙醇,导致提取液浓度太低
画滤液细线次数过少
选用绿叶叶脉过多,叶肉细胞过少
滤纸条色素带重叠
滤纸条没经干燥处理
滤液细线不能达到细、齐、直的要求,使色素扩散不一致
滤纸条看不到色素带
忘记画滤液细线
滤液细线触及层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中
滤纸条只呈现胡萝卜
素、叶黄素色素带
忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏
所用叶片为“黄叶”
关键能力·提升
考向一 围绕绿叶中色素的提取和分离实验的基本原理和过程分析,考查科学探究能力
1.(2021四川成都七中高三入学考)关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述,不正确的是 ( )
A.该实验结果表明,叶绿素a在层析液中溶解度最大
B.用无水乙醇作溶剂,提取的叶绿体色素中含有胡萝卜素
C.若研磨时不加二氧化硅,则滤纸条上各色素带均变窄
D.将滤液细线画粗些并不能增强实验效果
1.答案 A 纸层析法分离叶绿体色素的实验结果表明,胡萝卜素在层析液中溶解度最大,A错误。
2.(不定项选择)下列是新鲜绿叶的四种光合色素在滤纸上分离的情况,以下说法正确的是 ( )
A.甲、乙、丙、丁依次表示胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b
B.四种色素都能溶解在层析液中,丁色素的溶解度最大
C.水稻在收获时,叶片中色素量的变化是(甲+乙)<(丙+丁)
D.提取色素时加入碳酸钙是为了研磨充分,加入二氧化硅是为了保护色素
2.答案 BC 根据扩散的距离可判断,甲、乙、丙、丁依次表示叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素,A错误;四种色素都能溶解在层析液中,丁色素(胡萝卜素)扩散最快,溶解度最大,B正确;水稻在收获时呈黄色,叶绿素含量小于类胡萝卜素含量,即(甲+乙)<(丙+丁),C正确;提取色素时加入碳酸钙是为了保护色素,加入二氧化硅是为了研磨充分,D错误。
考向二 围绕绿叶中色素的提取和分离实验的拓展分析,考查科学思维能力
3.在做提取和分离叶绿体中的光合色素实验时,甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示(“+”表示使用,“-”表示未使用),其余操作均正常,他们所得的实验结果依次应为( )
试剂
甲
乙
丙
丁
无水乙醇
-
+
+
+
CaCO3
+
+
-
+
SiO2
+
+
+
-
A.①②③④ B.②④①③
C.④②③① D.③②①④
3.答案 B 甲同学没有加入提取剂无水乙醇,所以提取液中不会出现色素,色素分离的结果是②;乙同学操作正确,色素分离后得到的色素带有四条,与④情况相符;丙同学未加CaCO3,所以叶绿素含量减少,所得到的色素带中两条叶绿素带比正常的叶绿素带要窄,对应①;丁同学未加SiO2,叶片研磨不充分,最终导致各种色素的含量均减少,对应③,B正确。
4.(不定项选择)迁移率(Rf)是用纸层析法分离混合色素中各种成分的重要指标,也可用于各色素的鉴定,迁移率=色素移动距离/溶剂移动距离。下表是叶绿体中色素层析结果(部分数据),相关叙述正确的是 ( )
项目
溶剂移
动距离
色素1
移动距离
色素2
移动距离
色素3
移动距离
色素4
移动距离
实验组1
7.8
1.9
实验组2
8.2
1.5
实验组3
8.0
1.4
平均移
动距离
8.0
7.6
0.8
迁移率
0.95
0.53
0.10
A.可用无水乙醇、丙酮、石油醚等的混合试剂对色素进行分离
B.色素3的迁移率为0.2,若植物体缺Mg2+,其含量会减少
C.在层析液中溶解度最大的是色素1,在滤纸条上扩散速度最快的也是色素1
D.不可用根尖细胞作为该实验的材料
4.答案 BCD 无水乙醇和丙酮可用于提取色素,分离色素应用层析液,A错误。
考点二 光合作用的原理
必备知识·整合
1.光合作用的概念与反应式
(1)概念:指绿色植物通过 叶绿体 ,利用光能,把 二氧化碳和水 转化成储存着能量的有机物,并且释放出 氧气 的过程。
(2)反应式: CO2+H2O(CH2O)+O2 。
2.探索光合作用原理的部分实验
时间
科学家
发现
19世纪末
—
普遍认为,在光合作用中,CO2分子的C和O被分开,O2被释放,C和H2O结合成甲醛,然后甲醛分子缩合成糖
1928年
—
发现 甲醛 对植物有毒害作用,而且甲醛不能通过 光合作用 转化成糖
1937年
英国植物学家希尔
发现 离体叶绿体 的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可以释放出 O2 。像这样,离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作 希尔反应
1941年
美国科学家鲁宾和卡门
用 同位素示踪 的方法,研究了光合作用中氧气的来源
H218O+CO218O2
H2O+C18O2O2
1954年
美国科学家阿尔农
发现在光照下,叶绿体可合成 ATP 。1957年,他发现该过程总是与 水的光解 相伴随
3.光合作用的原理
(1)填写图中序号所代表的物质或结构
① O2 ;② NADP+ ;③ ADP+Pi ;④ C5 。Ⅰ是 光反应 ;Ⅱ是 暗反应 。
(2)光反应与暗反应的比较
项目
光反应阶段
暗反应阶段
区
别
条件
光 、色素、酶、水、ADP、Pi等
多种酶、ATP、NADPH、CO2等
场所
类囊体薄膜
叶绿体基质
物质
变化
①水的光解
2H2O H++O2 ,
H++NADP+ NADPH
②ATP的形成
ADP+Pi+能量ATP
①CO2的固定
CO2+C52C3
②C3的还原
2C3 (CH2O)+C5
能量
变化
光能转变成 ATP和NADPH中活跃的化学能 的能量
ATP和NADPH中活跃的化学能转变成储存在(CH2O)中的稳定的化学能
联系
①光反应为暗反应提供 ATP和NADPH ,暗反应为光反应提供 ADP、Pi、NADP+ 。②没有光反应,则暗反应无法进行,没有暗反应,则有机物无法合成
1.光反应必须在光照下进行,暗反应必须在暗处进行。(必修1 P103正文) (✕)
2.叶绿体中光合色素吸收的光能,一方面用于H2O分解产生氧和NADPH;一方面用于ATP的合成。(必修1 P103正文) (√)
3.水分解为氧和H+的同时,被叶绿体夺去两个电子。电子经传递可用于NADP+与H+结合形成NADPH。(必修1 P103相关信息) (√)
4.NADPH既可作还原剂,又可为暗反应提供能量。(必修1 P103正文) (√)
5.光合作用制造的有机物中的氧来自水。(必修1 P104正文) (✕)
6.C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸,C5是指五碳化合物——核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)。(必修1 P104相关信息) (√)
7.光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,通过韧皮部运输到植株各处。(必修1 P104相关信息) (✕)
8.光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。(必修1 P104正文) (√)
1.(必修1 P102思考·讨论拓展)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,理由是 水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳参与反应,而糖的合成需要碳的参与 。
2.(必修1 P102思考·讨论拓展)模拟鲁宾、卡门的实验时,能对同一实验中的CO2和H2O同时进行标记吗,为什么?
提示:不能,因为若CO2和H2O中的氧均标记,则无法分辨氧气的来源。
3.(必修1 P103图5-14拓展)假如白天突然中断了CO2的供应,叶绿体内首先积累起来的物质是 C5 。突然停止光照,叶绿体内含量减少的物质是 ATP、NADPH、C5 。
4.(必修1 P103图5-14拓展)下图表示绿色植物光合作用的部分过程,图中a~c表示相关物质,甲、乙为结构。
(1)图中所示的过程属于光合作用的 光反应 阶段,甲为 类囊体薄膜 。
(2)图中a为 氧气 ,b为 NADPH 。当外界CO2浓度升高时,b的含量会暂时 下降 。
(3)该过程将光能转化为化学能储存在 b和ATP 中。
(4)乙为叶绿体基质,是 光合作用暗反应 的场所。
重点疑难·突破
1.光合作用反应式中元素去向分析
①H:3H2O3H+(C3H2O)。
②C:14CO214C3(14CH2O)。
③O:H218O18O2;
C18O2C3(CH218O)。
2.环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
(1)“过程法”分析各物质变化
如图中Ⅰ表示光反应,Ⅱ表示CO2的固定,Ⅲ表示C3的还原,当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化:
(2)“模型法”表示C3和C5等的含量变化
[特别提醒]
(1)C5、NADPH、ATP的变化一致。C3与C5、NADPH、ATP的变化相反。
(2)C3量高于C5量,一般C3量为C5量的2倍。
(3)对光合作用有利,则(CH2O)合成增加,反之则减少。
3.连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累,在光反应停止时,暗反应仍可持续进行一段时间,有机物还能继续合成。
(2)在总光照时间相同的条件下,光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。
(3)应用:人工补光时,可适当采用“光暗交替”策略,这样,在提高光合产量的情况下,可大量节省能源成本。
关键能力·提升
考向一 结合光合作用的探究历程,考查科学思维与科学探究能力
1.科学是在实验和争论中前进的,光合作用的探究历程就是如此。在下面几个关于光合作用的实验中,相关叙述正确的是 ( )
A.恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量
B.科学家发现甲醛是光合作用的原料
C.希尔发现离体叶绿体在适宜条件下可释放O2
D.鲁宾和卡门的实验中,用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用产生的氧气来自CO2而不是H2O
1.答案 C 恩格尔曼的实验证明了水绵光合作用生成氧气,没有定量分析生成氧气的量,A错误;甲醛对植物有害,不能作为原料参与光合作用,B错误;鲁宾、卡门实验证明O2来自H2O,D错误。
2.(2021安徽合肥调研)英国植物学家希尔发现:在光下,若给含叶绿体的叶片提取液(淡绿色)提供特定的可与氢离子结合的氢受体2,6-D(一种墨绿色染料,接受氢离子并被还原后呈无色),在无CO2时进行光照,可观察到提取液由墨绿色变为淡绿色,并释放出O2;但放在暗处,则试管中的液体仍为墨绿色,且无O2的释放,如图所示。下列有关该实验的叙述和推论,错误的是 ( )
A.该实验证明了光照条件下释放的氧气完全来自H2O的光解
B.该实验证明了光照条件下叶绿体内产生了还原性物质
C.若给A组提供14CO2等物质,可能会检测到(14CH2O)的生成
D.该实验无法证明叶绿体是植物细胞合成糖类的场所
2.答案 A 根据题干信息和图分析,A组光照和无二氧化碳条件下,叶绿体产生了氧气,且提取液的颜色由墨绿色变成了淡绿色,说明叶绿体在光照条件下产生了氢离子和氧气,且氢离子与氢受体2,6-D结合;B组黑暗条件下,没有氧气释放,溶液仍然为墨绿色,说明叶绿体在黑暗条件下不能产生氢离子和氧气,A错误。
考向二 结合光合作用的原理,考查科学思维能力
3.(不定项选择)植物叶肉细胞的部分代谢过程如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.NADP+在光反应过程与电子和质子结合,形成还原型的NADPH
B.突然停止供应CO2,叶绿体内NADPH和ATP含量增加
C.类囊体膜上的类胡萝卜素能吸收红光和蓝紫光用于光合作用
D.图中H+通过主动运输从类囊体膜内运到膜外
3.答案 AB 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,不吸收红光,C错误;由图可知,H+从类囊体膜内运到膜外是顺浓度梯度,故为协助扩散,D错误。
4.(不定项选择)(2021四川成都七中高三入学考)下图为光合作用暗反应的产物磷酸丙糖的代谢途径,研究表明,磷酸丙糖转移蛋白(TPT)的活性是限制光合速率大小的重要因素,CO2充足时,TPT活性降低。下列有关叙述正确的是 ( )
A.Pi输入叶绿体减少时,磷酸丙糖从叶绿体输出减少
B.暗反应中磷酸丙糖的合成需要消耗光反应产生的ATP
C.叶肉细胞的光合产物主要是以蔗糖形式运出细胞的
D.农业生产上可通过增加CO2来提高作物中蔗糖的含量
4.答案 ABC 根据题意可知,CO2充足时,TPT活性降低,则磷酸丙糖运出叶绿体合成蔗糖的过程会受到影响,作物中淀粉含量会上升,而蔗糖含量下降,D错误。
考向三 围绕不同条件下光合作用过程中物质含量的变化分析,考查科学思维能力
5.(2020福建厦门阶段检测)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化,下列说法正确的是 ( )
A.突然中断CO2供应,会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小
B.突然中断CO2供应,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C.突然将红光改变为绿光,会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D.突然将绿光改变为红光,会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
5.答案 B 突然中断CO2供应,导致CO2的固定速率降低,叶绿体中C5含量增加、C3含量减少,因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增加,A错误;突然将红光改变为绿光后,光能利用率降低,ATP和NADPH含量减少,进而使C3含量增加、C5含量减少,因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大,C错误;突然将绿光改变为红光后,光能利用率提高,ATP和NADPH含量增加,ATP/ADP的值增加,D错误。
高考真题再现
1.(2020江苏单科,6,2分)采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验,下列叙述错误的是 ( )
A.提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂
B.研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏
C.研磨时添加石英砂有助于色素提取
D.画滤液细线时应尽量减少样液扩散
1.答案 B 叶绿体色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,故可以用无水乙醇提取叶绿体色素,A正确;研磨时应加入CaCO3,其可以中和酸性物质,防止叶绿素被破坏,B错误;研磨时添加石英砂(SiO2)有助于对菠菜叶的充分研磨,易于提取色素,C正确;在滤纸条上画滤液细线时,要用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,干后再重复画一到两次,画滤液细线时要细且齐,若滤液扩散会导致细线不齐,可能出现色素带重叠现象,D正确。
2.(2019江苏单科,17,2分)如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果,样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝藻经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列叙述正确的是 ( )
A.研磨时加入CaCO3过量会破坏叶绿素
B.层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液
C.在敞开的烧杯中进行层析时,需通风操作
D.实验验证了该种蓝藻没有叶绿素b
2.答案 D 光合色素提取过程中加入的CaCO3可保护叶绿素,CaCO3过量不会破坏叶绿素,A错误;光合色素溶于有机溶剂,层析液可用石油醚、丙酮和苯的混合物,不可用生理盐水或磷酸盐缓冲液,B错误;层析液中含有毒性的挥发性物质,层析时,应用培养皿盖住烧杯,并且在通风好的条件下进行,C错误;对比两条滤纸条,可知该种蓝藻(蓝细菌)无叶绿素b,D正确。
3.(2019课标全国Ⅰ,3,6分)将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中,一段时间后植株达到40 g,其增加的质量来自 ( )
A.水、矿质元素和空气 B.光、矿质元素和水
C.水、矿质元素和土壤 D.光、矿质元素和空气
3.答案 A 该黄瓜幼苗质量增加部分可分为干重的增加和含水量的增加,干重增加量来源于从土壤中吸收的矿质元素及利用CO2(空气)和H2O合成的有机物。故选A。
4.(2019海南单科,9,2分)下列关于高等植物光合作用的叙述,错误的是 ( )
A.光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能
B.红光照射时,胡萝卜素吸收的光能可传递给叶绿素a
C.光反应中,将光能转变为化学能需要有ADP的参与
D.红光照射时,叶绿素b吸收的光能可用于光合作用
4.答案 B 光合作用的暗反应阶段不能直接利用光能,但需要利用光反应阶段形成的NADPH和ATP,A正确;胡萝卜素不能吸收红光,B错误;光反应中,将光能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能,需要有ADP和Pi等的参与,C正确;红光照射时,叶绿素b吸收的光能可用于光合作用,光能可以转变为ATP和NADPH中活跃的化学能,D正确。
5.(2018北京理综,3,6分)光反应在叶绿体类囊体上进行。在适宜条件下,向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP,照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色。该反应过程中 ( )
A.需要ATP提供能量 B.DCIP被氧化
C.不需要光合色素参与 D.会产生氧气
5.答案 D 光反应过程中,光合色素利用光能,将水分解成H+和氧气,H+与NADP+结合形成NADPH,同时在有关酶的催化作用下,ADP与Pi发生化学反应,生成ATP,A、C错误,D正确;光反应产生的NADPH将DCIP还原,使之由蓝色逐渐变为无色,B错误。
6.(2017课标全国Ⅲ,3,6分)植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是 ( )
A.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
B.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
C.光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示
D.叶片在640~660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的
6.答案 A 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光而不吸收红光,A错误;不同光合色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,B正确;光合作用光反应阶段色素对光的吸收会影响暗反应阶段对CO2的利用,所以光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示,C正确;640~660 nm波长的光属于红光区,类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,所以叶片在640~660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的,D正确。
7.(2020山东,21,9分)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。
7.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
解析 (1)该系统中的模块1和模块2的功能相当于光合作用光反应阶段的光合色素对光能的吸收和水的光解。模块1和模块2可将光能转化为电能再转化为化学能储存在ATP和NADPH中。模块3的功能相当于光合作用的暗反应,甲与CO2结合完成CO2的固定,甲为五碳化合物(或:C5)。(2)正常运转过程中气泵突然停转,系统中CO2突然减少,CO2的固定减弱,但短时间内C3的还原不变,则短时间内乙(C3)的含量将减少。若气泵停转时间较长,则模块3为模块2提供的原料ADP、Pi和NADP+就会不足,进而影响模块2中的能量转换效率。(3)在与植物光合作用固定CO2量相等的情况下,该系统只进行光合作用,不进行呼吸作用,只有糖类的积累,没有糖类的消耗,所以该系统糖类的积累量高于植物。(4)干旱条件下,很多植物为了减弱蒸腾作用、减少水分散失,会降低叶片气孔开放程度,从而减少对CO2的吸收,CO2的吸收量减少会使植物光合作用速率降低。
一、单项选择题
1.(2021黑龙江哈尔滨三中高三验收考)下列有关叶绿体中色素提取、分离实验的叙述,正确的是 ( )
A.先用层析液提取色素,再用无水乙醇分离色素
B.改变滤液细线的宽度做纸层析,可以探究滤液细线的宽度对实验的影响
C.用滤纸对研磨液进行过滤后,立即用棉塞塞紧试管口
D.画滤液细线时最好用毛细吸管连续画线2~3次
1.答案 B 提取叶绿体中的色素需要用无水乙醇,而色素的分离需要用层析液,A错误;对研磨液进行过滤应用单层尼龙布,不能用滤纸,C错误;画滤液细线时画线一次后,需要等到滤液干后,再进行画线操作,D错误。
2.(2021辽宁沈阳36中高三期初测试)如图是小明同学利用新鲜菠菜叶做“新鲜菠菜叶片内叶绿体中色素的提取和分离实验”的实验结果,老师认为实验结果不理想,则产生此结果最可能的原因是 ( )
A.误用蒸馏水作提取液和层析液
B.研磨时未加入SiO2
C.实验材料自身有问题
D.研磨时未加入CaCO3
2.答案 D 误用蒸馏水作提取液和层析液,会导致图中没有色素带出现,A错误;研磨时未加入SiO2,会导致各色素相对含量低,B错误;实验中用的是新鲜菠菜叶,是很好的实验材料,C错误。
3.下列有关叶绿体的叙述,正确的是 ( )
A.叶肉细胞中的叶绿体在光下和黑暗中均可生成ATP
B.经黑暗处理后叶肉细胞内淀粉等被输出消耗,此时叶绿体内不含糖类
C.叶绿体中含有RNA聚合酶,体现了细胞内基因的选择性表达
D.叶绿体产生O2和线粒体产生H2O均在生物膜上进行
3.答案 D 叶绿体只有在光下才能发生光反应形成ATP,黑暗中叶绿体内不具有形成ATP的条件,A错误;经黑暗处理过的叶肉细胞会向其他部位输出淀粉等有机物,但叶绿体中的DNA、RNA中分别含有脱氧核糖、核糖,B错误;RNA聚合酶在细胞中普遍存在,没有体现基因的选择性表达,C错误。
4.为研究光反应中ATP产生的原理,有科学家进行如下实验:将叶绿体类囊体置于pH为4的琥珀酸溶液后,琥珀酸进入类囊体腔,腔内的pH下降为4;然后把悬浮液的pH迅速上升为8,此时类囊体内pH为4,类囊体外pH为8,在有ADP和Pi存在时类囊体生成ATP,对实验条件和结论分析正确的是 ( )
A.黑暗中进行,结果表明:H+能通过自由扩散进入类囊体
B.光照下进行,结果支持:合成ATP的能量直接来自色素吸收的光能
C.黑暗中进行,结果支持:光反应使类囊体内外产生H+浓度差,推动ATP合成
D.光照下进行,结果表明:光反应产生的NADPH参与暗反应中C3的还原
4.答案 C H+通过主动运输进入类囊体,A错误;光照下进行,由题干信息无法得出合成ATP的能量直接来自色素吸收的光能,B错误;暗反应的场所是叶绿体基质,不是类囊体,因此,此实验不能表明光反应产生的NADPH参与暗反应中C3的还原,D错误。
5.据下面光合作用图示判断,下列叙述不正确的是 ( )
A.⑤过程发生于叶绿体类囊体薄膜上
B.⑥过程发生于细胞质基质中
C.如用14C标记CO2来追踪光合作用过程中的碳原子,则14C的转移途径为14CO2→14C3→糖类
D.NADPH既可作还原剂,也可为暗反应提供能量
5.答案 B 根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥⑦分别表示NADPH、ATP、CO2、(CH2O)、光反应、暗反应和NADP+。光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上,暗反应发生在叶绿体基质中,A正确,B错误;光合作用过程中,CO2首先与C5相结合形成C3,然后C3被还原形成糖类等,C正确;NADPH既可作还原剂,也可为暗反应提供能量,D正确。
6.(2020江西南昌二中月考)离体的叶绿体在光照下进行稳定的光合作用时,如果突然改变某种条件,短时间内C3化合物增多、C5化合物减少,改变的条件可能是 ( )
A.降低光照强度 B.降低CO2的浓度
C.适当提高温度 D.紫色透明薄膜换成无色
6.答案 A 降低CO2的浓度,短时间内CO2固定减慢,C3还原速率不变,故C3减少,C5增多,B错误;适当提高温度对CO2的固定和还原均有影响,不能判断C3、C5的变化,C错误;紫色透明薄膜换成无色后通过的光质增多,即增大了光照强度,光反应产生的NADPH和ATP增加,C3的还原加快,短时间内CO2的固定速率不变,故C3减少,C5增多,D错误。
7.(2020湖北武汉质量检测)将小球藻置于缺氧缺CO2条件下,进行5~10分钟光照处理,立刻移向黑暗环境中供给14CO2,小球藻合成了(14CH2O)。下列叙述正确的是 ( )
A.在缺氧缺CO2条件下光照会导致叶绿体中NADPH减少
B.移向黑暗环境中供给14CO2后小球藻会向细胞外释放O2
C.供给14CO2后叶绿体中14C3含量先增加后逐渐减少为0
D.该实验不能证明小球藻利用光能和利用CO2的场所不同
7.答案 D 在缺氧缺CO2条件下,给予光照条件叶肉细胞中会进行光反应,因此,不会导致叶绿体中NADPH减少,A错误;移向黑暗环境中供给14CO2后,小球藻会吸收二氧化碳进行一段时间的暗反应过程,此时由于缺乏光照条件,不会进行光反应向细胞外释放O2,B错误;供给14CO2后叶绿体中14C3含量先增加而后逐渐减少并趋于稳定,不会减少到0,C错误。
二、不定项选择题
8.如图表示新鲜菠菜叶中四种色素的相对含量及其在滤纸上的分离情况,下列分析错误的是 ( )
A.叶绿体中的四种色素均分布在类囊体薄膜上
B.四种色素均主要吸收蓝紫光和红光
C.四种色素在层析液中溶解度最大的是Ⅲ
D.发黄的菠菜叶色素含量显著减少的是Ⅲ和Ⅳ
8.答案 BC 类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,B错误;根据图中显示的四种色素的相对含量及其与滤液细线的距离可以推知,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所指的色素分别是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b,四种色素在层析液中溶解度最大的是Ⅰ,C错误。
9.研究者使用同位素18O标记水和碳酸氢钠中的部分氧原子,加入三组小球藻培养液中,记录反应起始时水和碳酸氢钠中18O的比例,光照一段时间后,分别检测小球藻释放的氧气中18O的比例,实验结果如下表所示。下列相关叙述正确的是( )
组别
起始时水中
18O的比例(%)
起始时HCO3-中
18O的比例(%)
释放的O2中
18O的比例(%)
1
0.85
0.41
0.84
2
0.85
0.55
0.85
3
0.85
0.61
0.85
A.18O2是在小球藻叶绿体的类囊体薄膜上生成的
B.HCO3-可为小球藻的光合作用提供碳元素
C.HCO3-中18O的比例不同导致放氧速率不同
D.释放的O2中18O的比例与水中的相近,推测O2中的氧原子来自水
9.答案 ABD 光合作用光反应阶段,水在光下分解释放氧气,该过程在叶绿体的类囊体薄膜上进行,A正确;碳酸氢钠释放CO2,为光合作用提供碳元素,B正确;释放的O2中18O的比例与起始水中18O比例一致,与HCO3-中18O的比例不同,推知O2中的氧原子来自水,放氧速率与HCO3-中18O的比例不同无关,C错误,D正确。
10.(2020山东济宁一中二检)科学家向小球藻培养液中通入14CO2,给予实验装置不同时间光照,结果如表所示。
实验组别
光照时间(s)
放射性物质分布
1
2
大量3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
2
20
12种磷酸化糖类
3
60
除上述12种磷酸化糖类外,还有氨基酸、有机酸等
根据上述实验结果分析,下列叙述正确的是 ( )
A.暗反应最初形成的主要是3-磷酸甘油酸(三碳化合物)
B.本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段
C.3-磷酸甘油酸可直接转化成氨基酸、有机酸等
D.实验结果说明小球藻光合作用产物是糖类、氨基酸和有机酸等
10.答案 ABD 由表格可知,CO2进入叶绿体后,最初形成的物质是3-磷酸甘油酸(三碳化合物),A正确;由题意可知,实验用同位素标记法探究CO2中的碳元素的去向,故本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段,B正确;根据时间先后分析,3-磷酸甘油酸要先转化成12种磷酸化糖类,然后才转化成氨基酸、有机酸等,C错误;表格中的数据说明光合作用产物除了糖类外,还有氨基酸、有机酸等其他有机物,D正确。
三、非选择题
11.(2020江西上饶中学6月模拟)某科研人员研究不同遮光处理对白桦光合作用生理特性的影响结果如图。
(1)叶片中叶绿素含量是维持植物正常光合作用的主要指标,叶绿素主要存在于白桦叶片的 (具体部位)中,通过图示的结果发现白桦叶绿素含量随 而增加,提高了白桦在弱光环境下的捕光能力。研究发现植物体内的叶绿素处于不断地合成和分解中,请从该角度去解释叶绿素含量增加的原因: 。
(2)叶绿素b/叶绿素a的值可作为植物利用弱光能力的判断指标,研究人员发现遮光处理提高了白桦叶绿素b/叶绿素a的值。通过高中课本 实验可以验证该结论。你的实验证据是 。
11.答案 (1)叶绿体类囊体薄膜 遮光程度的增加 叶绿素的合成量变化不大,分解量减少(或叶绿素的合成量增加,分解量变化不大或叶绿素的合成量增加,分解量减少) (2)色素的提取和分离 遮光组滤纸条上黄绿色的色素带宽度与蓝绿色的色素带宽度的比值大于非遮光组
解析 (1)叶绿素存在于叶绿体类囊体薄膜上。叶绿素具有捕获光能的作用,图示横坐标表示不同遮光处理,纵坐标表示叶绿素含量,分析题图可知,随着遮光程度的增加,白桦叶绿素含量逐渐增加,提高了白桦在弱光环境下的捕光能力。植物体内的叶绿素处于不断地合成和分解中,这说明植物体内的叶绿素含量是其合成量与分解量的差值,因此叶绿素含量增加的原因是叶绿素的合成量变化不大,分解量减少或叶绿素的合成量增加,分解量变化不大或叶绿素的合成量增加,分解量减少。(2)观察比较滤纸条上蓝绿色条带(叶绿素a)和黄绿色条带(叶绿素b)的宽度可确定叶绿素a和叶绿素b的含量,从而确定遮光处理是否提高了叶绿素b/叶绿素a的值。若遮光处理提高了白桦叶绿素b/叶绿素a的值,则遮光组滤纸条上黄绿色的色素带宽度与蓝绿色的色素带宽度的比值大于非遮光组的。
12.为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响,科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定,每组处理的总时间均为135 s,处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下:
A组:先光照后黑暗,时间各为67.5 s;光合作用产物的相对含量为50%。
B组:先光照后黑暗,光照和黑暗交替处理,每次光照和黑暗时间各为7.5 s;光合作用产物的相对含量为70%。
C组:先光照后黑暗,光照和黑暗交替处理,每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒);光合作用产物的相对含量为94%。
D组(对照组):光照时间为135 s;光合作用产物的相对含量为100%。
回答下列问题:
(1)单位光照时间内,C组植物合成有机物的量 (填“高于”“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量,依据是 ;C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要 ,这些反应发生的部位是叶绿体的 。
(2)A、B、C三组处理相比,随着 的增加,光下产生的 能够及时利用与及时再生,从而提高了光合作用中CO2的同化量。
12.答案 (1)高于 C组只用了D组一半的光照时间,其光合作用产物的相对含量却是D组的94% 光照 基质 (2)光照和黑暗交替频率 ATP和还原型辅酶Ⅱ
解析 (1)对比C、D两组实验,C组光照和黑暗交替处理,D组只有光照,但C组光合作用产物的相对含量是D组的94%,故单位光照时间内C组植物合成有机物的量高于D组。分析C组和D组实验,可推知光合作用中有些反应不需要光照,这些反应发生在叶绿体的基质中。(2)对比A、B、C三组实验,在总时间相同的情况下,随着光照和黑暗交替频率的增加,光合作用产物的相对含量也增加。究其根本原因是光照与黑暗的交替频率越高,光下产生的还原型辅酶Ⅱ和ATP越能及时利用并及时再生,从而提高了光合作用中CO2的同化量。
13.(2020山东威海一模)RuBisCo普遍分布于玉米、大豆等植物的叶绿体中,它是光呼吸(细胞在有光、高O2、低CO2情况下发生的生化反应)中不可缺少的加氧酶,也是卡尔文循环中固定CO2最关键的羧化酶。RuBisCo能以五碳化合物(RuBP)为底物,在CO2/O2值高时,使其结合CO2发生羧化,在CO2/O2值低时,使其结合O2发生氧化,具体过程如图所示。
(1)玉米、大豆等植物的叶片中消耗O2的场所有 。从能量代谢的角度看,光呼吸和有氧呼吸最大的区别是 。
(2)科研人员利用大豆来探究光呼吸抑制剂亚硫酸氢钠的增产效果。
①亚硫酸氢钠可通过改变二碳化合物(乙醇酸)氧化酶的 来抑制该酶的活性,从而抑制光呼吸的进行。另外,亚硫酸氢钠还能促进色素对光能的捕捉,从而促进 的进行。
②为探究亚硫酸氢钠使大豆增产的适宜浓度,一般要先进行预实验,目的是 。
③喷施适宜浓度的亚硫酸氢钠溶液后,大豆单位时间内释放氧气的量较喷施前 (填“增多”“减少”或“不变”),原因是 。
13.答案 (1)叶绿体(基质)、线粒体(内膜) 光呼吸消耗ATP(能量),有氧呼吸产生ATP(能量) (2)①空间结构 光反应(光合作用) ②为进一步的实验探究条件;检验实验设计的科学性和可行性;避免盲目开展实验造成人力、物力、财力的浪费 ③增多 光能利用增加,水的光解加快;亚硫酸氢钠通过抑制乙醇酸氧化酶的活性,进而抑制了光呼吸的进行
解析 (1)玉米、大豆等植物通过有氧呼吸消耗氧气的场所是线粒体内膜,通过光呼吸消耗氧气的场所是叶绿体基质。由图可知,光呼吸消耗ATP,故从能量代谢的角度看,光呼吸和有氧呼吸最大的区别是光呼吸消耗ATP,有氧呼吸产生ATP。(2)①二碳化合物氧化酶在光呼吸中发挥作用,亚硫酸氢钠可通过改变二碳化合物氧化酶的空间结构来抑制该酶的活性,从而抑制光呼吸的进行。另外,亚硫酸氢钠还能促进色素对光能的捕捉,从而通过促进光反应的进行而提高光合作用强度。②预实验可以为进一步的实验探究条件;检验实验设计的科学性和可行性;避免盲目开展实验造成人力、物力、财力的浪费。③喷施适宜浓度的亚硫酸氢钠溶液后,亚硫酸氢钠通过抑制乙醇酸氧化酶的活性,进而抑制了光呼吸进行,大豆对光能的利用增加,水的光解加快,故大豆单位时间内释放氧气的量较喷施前增多。
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