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高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第5章 细胞的能量供应和利用第4节 光合作用与能量转化二 光合作用的原理和应用图片课件ppt
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这是一份高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第5章 细胞的能量供应和利用第4节 光合作用与能量转化二 光合作用的原理和应用图片课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了②根据关键词判定等内容，欢迎下载使用。
1.通过对光合作用过程的学习,形成物质与能量观。2.通过对光反应与暗反应的比较,养成分类与比较的科学思维方式。3.通过探究环境因素对光合作用影响的实验,提高制订并实施实验方案的科学探究能力。4.通过对光照强度、温度和CO2浓度对光合作用的影响的学习,养成分析与综合的科学思维方式。
一、光合作用的概念(1)主要场所:叶绿体。(2)能量来源:光能。(3)反应物:二氧化碳和水。(4)产物:有机物和氧气。(5)实质:合成有机物,储存能量。
(2)图示中Ⅰ过程是光反应阶段。①场所:⑤类囊体的薄膜。②条件:光、色素和酶等。③叶绿体中光合色素吸收光能的用途:a.将水分解为氧和H+,氧直接以氧分子的形式释放出去,H+与NADP+结合,形成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)。b.在有关酶的催化作用下,提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。这样,光能就转化为储存在ATP中的化学能。
④NADPH的作用:a.作为活泼的还原剂,参与暗反应阶段的化学反应。b.储存部分能量供暗反应阶段利用。
(3)图示中Ⅱ过程是暗反应阶段。①场所:叶绿体基质。②条件:酶、NADPH、ATP。
③具体过程:a.CO2的固定,即绿叶通过气孔从外界吸收的CO2,在特定酶的作用下,与C5(一种五碳化合物)结合,形成C3分子。b.在有关酶的催化作用下,C3接受ATP和NADPH释放的能量,并且被NADPH还原。c.一些接受能量并被还原的C3,在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类;另一些接受能量并被还原的C3,经过一系列变化,又形成C5。这些C5又可以参与CO2的固定。
微思考不给小球藻提供CO2,只给予光照,小球藻能独立地进行光反应吗?为什么?提示:不能,因为没有CO2,暗反应不能进行;光反应的产物积累,使光反应被抑制。
微判断1基于对光合作用原理的认识,判断下列表述是否正确。1.暗反应包括CO2的固定和C3的还原,两个阶段都在叶绿体基质中进行。( )2.整个光合作用过程中,能量的转化是光能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能。( )3.光合作用释放的O2都来自水。( )4.光反应和暗反应都必须在光照条件下才能进行。( )
微训练11.在光合作用中,不需要酶参与的过程是( )A.CO2的固定B.叶绿素吸收光能C.C3的还原D.ATP的形成答案:B解析:色素分子吸收光能的过程不需要酶的参与。
2.下列反应过程在叶绿体基质中完成的有( )①2H2O4H++4e+O2 ②ATP→ADP+Pi+能量③2C3→(CH2O)+C5 ④CO2+C5→2C3A.①②③B.①③④C.②③④D.①②④答案:C解析:在叶绿体基质中完成的是暗反应,有②③④。
三、光合作用原理的应用1.光合作用的强度(1)概念:植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。(2)表示方法:用一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量表示。
2.探究环境因素对光合作用强度的影响(1)实验步骤:①用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出圆形小叶片30片。②用注射器抽出圆形小叶片内的气体。③将处理过的圆形小叶片,放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。
④取3只小烧杯,分别倒入富含CO2的清水,再各放入10片圆形小叶片,分别置于强、中、弱三种光照下。⑤观察并记录同一时间段内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量。(2)实验现象与结果分析:通常,光照越强,烧杯内圆形小叶片浮起的数量越多,说明在一定范围内,随着光照强度的不断增强,光合作用强度不断增强。
四、化能合成作用1.概念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.举例硝化细菌能将土壤中的氨氧化成亚硝酸,进而将亚硝酸氧化成硝酸,这两个化学反应中释放出的化学能被硝化细菌用来将CO2和H2O合成糖类,供自身利用。
微判断2基于光合作用原理的应用,判断下列表述是否正确。1.光照强度是通过影响光反应来影响光合速率的。( )2.在一定范围内,随着光照强度的增大,光合速率也逐渐增大。( )3.光照强度影响光合作用但光质不影响光合作用。( )4.温度只影响暗反应,因为只有暗反应需要酶的催化。( )5.光合作用强度的影响因素有CO2浓度、温度和光照强度等外界因素。( )6.温度主要通过影响酶的活性对光合作用产生影响。( )
微训练2光合作用的正常进行受多种因素的影响。一个生物兴趣小组研究了矿质元素含量、光照强度和温度对光合作用的影响,下面是一名同学根据实验结果绘制的一组曲线,其中错误的是( )
解析:氮元素是构成酶、叶绿素、ATP、NADPH、核酸等的原料,是植物光合作用的必需元素,但光合作用强度不会随叶片中含N量的增加而持续增大。
一 光合作用的过程重难归纳1.光反应和暗反应的比较
2.光合作用中的几种能量关系(1)光反应中光能转换为化学能并非只储存于ATP中, NADPH中也含有能量。(2)光反应产生的ATP只用于C3的还原,不用于植物体的其他生命活动。(3)C3还原消耗的能量不只来自ATP,还可由NADPH提供。
(1)图中①~⑦分别是什么物质?提示:①叶绿体中的色素;②O2;③NADPH;④ATP;⑤C3;⑥CO2;⑦(CH2O)。(2)过程Ⅰ、Ⅱ分别表示什么阶段?发生的场所分别是哪里?提示:Ⅰ是光反应,发生在叶绿体类囊体的薄膜上;Ⅱ是暗反应,发生在叶绿体的基质中。(3)如果给植物提供14CO2,光合作用中放射性依次出现在哪些物质中?提示:放射性依次出现在CO2、C3、(CH2O)中。
(4)请结合光合作用和细胞呼吸的原理分析,如果给植物提供H218O,光照下较长时间后,放射性会出现在哪些物质中?提示:经光合作用后氧气中含有放射性,同时经过有氧呼吸,水、丙酮酸、二氧化碳等物质中也会含有18O,C18O2参与光合作用,C3和(CH2O)等物质中也会含有18O。因此放射性会出现在氧气、水、C3、二氧化碳、丙酮酸和(CH2O)等物质中。
典例剖析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
解析:(1)分析图示可知,模块1为将光能转化为电能的过程,模拟的是色素吸收光能的过程,模块2模拟的是水分解为氧和H+,并合成ATP的过程,因此两个模块模拟的是光反应过程。模块3则模拟的是暗反应过程。(2)模块3模拟暗反应过程,气泵泵入的是CO2,其中甲表示C5,乙表示C3。若正常运转过程中气泵突然停转,则输入暗反应系统中的CO2浓度下降,CO2固定减少,则C3的含量会减少。若气泵停转的时间较长,则暗反应过程为光反应提供的ADP、Pi和NADP+不足,会导致模块2中的能量转换效率下降。(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与植物的总光合作用量相等,由于该系统未模拟细胞呼吸,不会通过呼吸作用消耗糖类,而植物会发生呼吸作用,因此该系统积累的糖类多于植物。(4)干旱条件下,植物的光合作用速率降低的主要原因是干旱导致植物的蒸腾作用加强,植物为了防止水分散失会关闭气孔,叶片气孔开放程度降低,CO2吸收量减少。
规律总结 (1)光反应和暗反应是一个有机的整体,光反应不能进行时,暗反应也不能进行;暗反应被抑制时,光反应也被抑制。(2)叶绿体中的ADP和ATP移动的方向相反。①ADP的移动方向:叶绿体基质→类囊体的薄膜。②ATP的移动方向:类囊体的薄膜→叶绿体基质。
学以致用光合作用的产物糖类分子中的C、H、O分别来自( )A.二氧化碳、反应物水、产物水B.二氧化碳、二氧化碳、反应物水C.二氧化碳、反应物水、反应物水D.二氧化碳、反应物水、二氧化碳答案:D
解析:光合作用的原料为二氧化碳和水,则产物糖类分子中的C来自二氧化碳、H来自水;水在光反应中分解为H+和氧气,即水中的O全部生成氧气,故糖类分子中的O来自二氧化碳。
二 探究光照强度对光合作用强度的影响重难归纳1.实验原理正常状态下,叶片的叶肉细胞间隙充满气体,圆形小叶片在水中会浮在水面上,抽气后会下沉;叶片进行光合作用时产生氧气,氧气充满细胞间隙,圆形小叶片会上浮;光合作用越强,单位时间内圆形小叶片上浮的数量越多。
2.实验中沉水叶片的制备(1)圆形小叶片的制备:用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出圆形小叶片。(2)沉水:用注射器抽出叶片内的气体,放入黑暗处盛有清水的烧杯中,圆形小叶片全部沉到水底。(3)放入黑暗处的目的:防止叶片进行光合作用。
3.实验装置分析(1)自变量的设置:光照强度是自变量,通过调整台灯与烧杯之间的距离来调节光照强度的大小。(2)因变量是光合作用强度,可通过观测单位时间内被抽出气体的圆形小叶片上浮的数量或者是浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强弱。
圆形小叶片只要进行光合作用就会上浮吗?请分析圆形小叶片在什么情况下会上浮。提示:(1)在弱光下,光合作用强度小于或等于呼吸作用强度,叶片中没有足够的氧气,叶片仍然沉在水底。(2)在达到一定光照强度时,只要光合作用强度大于呼吸作用强度,叶片中就会有足够多的氧气产生,从而充满细胞间隙,使叶片浮起来。
典例剖析某同学为探究光照强度对光合作用强度的影响,设计实验如下:摘取外形正常、生长旺盛的绿叶若干,在绿叶上避开大的叶脉用打孔器打出直径为0.6 cm的圆形小叶片40片;用适当方法使圆形小叶片内部的气体全部逸出,放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用,此时叶片全部沉在水底。
(1)实验中圆形小叶片下沉的原因是 。 (2)欲研究光照强度对光合作用强度的影响,在实验室只有一种40 W灯泡的情况下,可以通过 达到目的。 (3)在此实验基础上给予 等条件,观察实验现象。 (4)本实验的检测指标为 。(5)若圆形小叶片取自大叶脉处,则所测得的光合作用强度会较当前值偏 。
答案:(1)叶片的细胞间隙充满了水 (2)调节光源与烧杯间的距离 (3)适宜温度和CO2浓度 (4)相同时间内圆形小叶片浮起的数量或全部圆形小叶片上浮所需时间 (5)低
解析:(1)用注射器使圆形小叶片内的气体逸出,细胞间隙中充满水,因此圆形小叶片会沉入水底。(2)可通过改变光源与烧杯的距离来调节光照强度。(3)探究光照强度对光合作用强度的影响时,光照强度为自变量,光合作用强度为因变量;其他条件为无关变量,应保持一致且适宜。(4)本实验中相同时间内叶片浮起来的数量或全部叶片上浮所需时间可以用来判断光合速率的大小,从而观察光照强度对光合作用强度的影响。(5)叶脉处的叶绿体少,光合作用较弱。
归纳总结 取材关键及实验结果分析(1)打孔时避开大的叶脉是因为大的叶脉部位含有的叶绿体少。(2)用注射器使圆形小叶片内的气体逸出是为了防止细胞内原本存在的气体逸出影响实验结果。(3)该实验中所取的叶片大小和生理状态应该是相同的,打孔时要取叶片的相同部位。(4)本实验中的数值并不代表真正的光合速率,而是光合作用的净积累值,即光合作用与呼吸作用的差值。
学以致用图甲为研究光合作用的实验装置。用打孔器在某植物的叶片上打出多个圆形小叶片,再用气泵抽出圆形小叶片内的气体直至叶片沉入水底,然后将等量的圆形小叶片转至含有不同浓度的NaHCO3溶液中,给予一定的光照,测量每个培养皿中圆形小叶片上浮至液面所用的平均时间(见图乙),以研究光合速率与NaHCO3溶液浓度的关系。下列有关分析正确的是( )
A.在AB段,随着NaHCO3溶液浓度的增加,光合速率逐渐减小B.在BC段,单独增加光照、温度或NaHCO3溶液浓度,都可以缩短圆形小叶片上浮至液面的时间C.在C点以后,因NaHCO3溶液浓度过高,使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降D.因配制的NaHCO3溶液中不含O2,所以整个实验过程中叶片不能进行呼吸作用答案:C
解析:在AB段,随着NaHCO3溶液浓度的增加,圆形小叶片上浮至液面所用的平均时间变短,表明光合速率逐渐增大。在BC段,单独增加光照或温度可以缩短圆形小叶片上浮至液面所用的时间,但单独增加NaHCO3溶液浓度不能缩短圆形小叶片上浮至液面所用的时间。在C点以后,因NaHCO3溶液浓度过高,使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降。凡是活细胞都能进行呼吸作用。
三 影响光合作用的因素及在生产中的应用重难归纳1.光照强度(1)曲线分析。
①关键点:A点时,光照强度为0,此时只进行细胞呼吸,单位时间内释放的CO2量表示呼吸速率;B点时,细胞呼吸释放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等,此时的光照强度称为光补偿点;C点对应的光照强度为光饱和点,此时光照强度增加,光合作用强度不再增加。②关键线段:AB段光合作用强度小于呼吸作用强度;BC段光合作用强度大于呼吸作用强度。(2)应用:阴雨天适当补充光照,及时对大棚除霜消雾。
②关键点分析:图中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即CO2补偿点;图中的B点对应的CO2浓度是CO2饱和点。(2)应用:温室中适当增加CO2浓度,如投入干冰等;大田中“正其行,通其风”,通过多施有机肥来提高CO2浓度。
3.温度(1)曲线分析。①影响原理:温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度。②曲线分析:B点对应的温度是最适温度,此时光合作用最强,高于或低于此温度,光合作用强度都会下降。(2)应用:温室栽培时,白天适当提高温度,夜间适当降低温度。
4.水及无机营养对光合作用的影响(1)原理。①N元素、Mg元素等是叶绿素合成的必需元素,若这些元素缺乏,会影响叶绿素的合成,进而影响光合作用。②水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质。水还会影响气孔的开闭,从而影响CO2进入植物体。(2)应用:①合理施肥;②预防干旱,合理灌溉。
提示:光照强度增强或CO2浓度降低。光照强度增加,光反应产生的NADPH和ATP增多,被还原的C3增多,生成的C5增多,而CO2被C5固定形成C3的过程不变,故C3的含量将减少,C5的含量将增加;CO2浓度降低,CO2的固定减弱,生成的C3减少,而C5积累。
归纳总结 分析当光照强度与CO2浓度发生骤变时,C3、C5、NADPH和ATP的变化
(1)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化。(2)以上各物质变化中,C3和C5含量的变化是相反的,NADPH和ATP含量的变化是一致的。(3)具体分析时要弄清C3、C5的“来源”与“去路”(C3产生于CO2的固定,消耗于C3的还原;C5产生于C3的还原,消耗于CO2的固定)。
典例剖析下列曲线图中有M、N、R、P、Q五个点,对它们含义的叙述正确的是( )①M点时,植物既进行光合作用,也进行呼吸作用,且光合作用强度弱于呼吸作用强度 ②N点时,植物体只进行呼吸作用;R点时,植物体的光合作用强度等于呼吸作用强度 ③Q点时,光照强度不再是限制光合速率的因素,CO2浓度是限制光合速率的主要因素 ④P点之前,限制光合速率的主要因素是光照强度A.①②B.①③C.③④D.②④
解析:M点时,光照强度为0,植物只进行呼吸作用,①错误;N点时,净光合速率为0,说明光合作用强度和呼吸作用强度相等,R点在M点与N点之间,所以植物体的光合作用强度小于呼吸作用强度,②错误;Q点之后,随着光照强度的增加,光合速率不再改变,光照强度不再是影响光合速率的主要因素,而相同光照强度下,随CO2浓度的提高,光合速率也提高,所以此时CO2浓度是限制光合速率的主要因素,③正确;P点前,随光照强度的增大,光合速率增大,影响光合速率的主要因素是光照强度,④正确。
规律总结 光合速率与呼吸速率的相关分析(1)植物“三率”的判定。①根据坐标曲线判定:当光照强度为0时,若CO2吸收值为负值,该值的绝对值代表呼吸速率,该曲线代表净光合速率;当光照强度为0时,若CO2吸收值为0,该曲线代表总光合速率。
③总光合速率=净光合速率+呼吸速率。④曲线图:
(2)光合速率与植物生长。 ①当净光合速率>0时,植物因积累有机物而生长。 ②当净光合速率=0时,植物不能生长。 ③当净光合速率<0时,植物不能生长,长时间处于此种状态,植物将死亡。
学以致用下图表示在光照下和黑暗中温度对某种植物CO2吸收量和释放量的影响。已知除了温度变化之外,其他环境条件(如光照强度等)不变。下列说法正确的是( )A.根据图中曲线无法确定细胞呼吸的最适温度B.光照下CO2的吸收量表示光合作用所同化的CO2量C.图中A点表示光合作用强度与呼吸作用强度相等D.环境温度超过25 ℃时,植物体内有机物的量会减少
解析:据图可知,在黑暗中,随着温度的上升,CO2的释放量在逐渐增加,没有出现最大值,A项正确。植物光合作用同化的CO2量包括光照下CO2的吸收量和细胞呼吸释放的CO2量,B项错误。图中A点表示净光合作用强度与呼吸作用强度相等,总光合作用强度是呼吸作用强度的2倍,C项错误。环境温度超过25 ℃时,光照下CO2的吸收量仍大于0,即净光合作用强度大于0,植物体内有机物的量仍在不断积累,D项错误。
1.下图所示为叶绿体中的某种结构及其上发生的物质和能量变化。下列有关叙述错误的是( )A.图中的①是植物吸收的水分子B.光合色素都分布在结构②上C.光能转变为NADPH和ATP中的化学能D.NADPH、O2和ATP都能用于暗反应答案:D解析:光反应产生的NADPH和ATP用于暗反应,O2被释放出去或被线粒体利用。
2.右图表示某种植物在最适温度和CO2的体积分数为0.03%的条件下,光合作用合成量随光照强度变化的曲线。若在B点时改变某种条件,结果发生了如曲线b所示的变化,则改变的环境因素是( )A.适当提高温度B.增大光照强度C.适当增加CO2的体积分数D.增加酶的数量答案:C
解析:此时温度已经是最适温度,所以再提高温度会使酶的活性降低,光合作用速率降低;B点是光饱和点,此时光照强度不再是限制光合作用的因素;CO2的体积分数为0.03%,相对较低,所以增加CO2的体积分数会提高光合速率;酶的数量属于影响光合作用的内因。
3.为提高温室大棚中蔬菜的产量,应采取的正确措施是( )A.在白天和夜间都应适当降低温度B.在白天和夜间都应适当提高温度C.在夜间适当提高温度,在白天适当降低温度D.在白天适当提高温度,在夜间适当降低温度答案:D
解析:植物在白天进行光合作用和细胞呼吸,在夜间只进行细胞呼吸。白天适当提高温度可以增强光合作用强度,夜间适当降低温度可以减少细胞呼吸对有机物的消耗,从而使有机物的积累增多,产量提高。
4.在下图所示的玻璃容器中,注入一定浓度的NaHCO3溶液并投入少量的在新鲜绿叶上取出的圆形小叶片,密闭后,设法减小液面上方的气体压强,会看到圆形小叶片沉入水中。然后再用光照射容器,又会发现圆形小叶片重新浮上液面。光照后圆形小叶片重新浮上液面的原因是( )A.圆形小叶片吸水膨胀,密度减小B.圆形小叶片进行光合作用所产生的O2充满细胞间隙C.溶液内产生的CO2大量附着在圆形小叶片上D.NaHCO3溶液因放出CO2而密度增大
5.用高速离心机打碎小球藻细胞,获得可以进行光合作用的离体叶绿体,进行如下图所示的实验。请分析回答下列问题。
(1)实验A中离体的叶绿体能合成糖类,NaHCO3溶液所起的作用是 。若要使该实验中没有糖类产生,烧杯中的液体应改为 。 (2)若要使实验B中离体的叶绿体内糖类合成速度明显加快,在光照和CO2浓度条件不变且适宜的情况下,可考虑采用 的方法。
(3)若要使实验C中离体的叶绿体产生糖类,锥形瓶内至少应加入 和 。 (4)科学家鲁宾和卡门以小球藻为实验材料,用18O分别标记H2O和CO2,最终证明光合作用释放的O2来自H2O;科学家卡尔文用14C标记CO2供小球藻进行光合作用,探明了卡尔文循环途径。以上科学家在实验中共同使用了 技术。
1.通过对光合作用过程的学习,形成物质与能量观。2.通过对光反应与暗反应的比较,养成分类与比较的科学思维方式。3.通过探究环境因素对光合作用影响的实验,提高制订并实施实验方案的科学探究能力。4.通过对光照强度、温度和CO2浓度对光合作用的影响的学习,养成分析与综合的科学思维方式。
一、光合作用的概念(1)主要场所:叶绿体。(2)能量来源:光能。(3)反应物:二氧化碳和水。(4)产物:有机物和氧气。(5)实质:合成有机物,储存能量。
(2)图示中Ⅰ过程是光反应阶段。①场所:⑤类囊体的薄膜。②条件:光、色素和酶等。③叶绿体中光合色素吸收光能的用途:a.将水分解为氧和H+,氧直接以氧分子的形式释放出去,H+与NADP+结合,形成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)。b.在有关酶的催化作用下,提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。这样,光能就转化为储存在ATP中的化学能。
④NADPH的作用:a.作为活泼的还原剂,参与暗反应阶段的化学反应。b.储存部分能量供暗反应阶段利用。
(3)图示中Ⅱ过程是暗反应阶段。①场所:叶绿体基质。②条件:酶、NADPH、ATP。
③具体过程:a.CO2的固定,即绿叶通过气孔从外界吸收的CO2,在特定酶的作用下,与C5(一种五碳化合物)结合,形成C3分子。b.在有关酶的催化作用下,C3接受ATP和NADPH释放的能量,并且被NADPH还原。c.一些接受能量并被还原的C3,在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类;另一些接受能量并被还原的C3,经过一系列变化,又形成C5。这些C5又可以参与CO2的固定。
微思考不给小球藻提供CO2,只给予光照,小球藻能独立地进行光反应吗?为什么?提示:不能,因为没有CO2,暗反应不能进行;光反应的产物积累,使光反应被抑制。
微判断1基于对光合作用原理的认识,判断下列表述是否正确。1.暗反应包括CO2的固定和C3的还原,两个阶段都在叶绿体基质中进行。( )2.整个光合作用过程中,能量的转化是光能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能。( )3.光合作用释放的O2都来自水。( )4.光反应和暗反应都必须在光照条件下才能进行。( )
微训练11.在光合作用中,不需要酶参与的过程是( )A.CO2的固定B.叶绿素吸收光能C.C3的还原D.ATP的形成答案:B解析:色素分子吸收光能的过程不需要酶的参与。
2.下列反应过程在叶绿体基质中完成的有( )①2H2O4H++4e+O2 ②ATP→ADP+Pi+能量③2C3→(CH2O)+C5 ④CO2+C5→2C3A.①②③B.①③④C.②③④D.①②④答案:C解析:在叶绿体基质中完成的是暗反应,有②③④。
三、光合作用原理的应用1.光合作用的强度(1)概念:植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。(2)表示方法:用一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量表示。
2.探究环境因素对光合作用强度的影响(1)实验步骤:①用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出圆形小叶片30片。②用注射器抽出圆形小叶片内的气体。③将处理过的圆形小叶片,放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。
④取3只小烧杯,分别倒入富含CO2的清水,再各放入10片圆形小叶片,分别置于强、中、弱三种光照下。⑤观察并记录同一时间段内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量。(2)实验现象与结果分析:通常,光照越强,烧杯内圆形小叶片浮起的数量越多,说明在一定范围内,随着光照强度的不断增强,光合作用强度不断增强。
四、化能合成作用1.概念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.举例硝化细菌能将土壤中的氨氧化成亚硝酸,进而将亚硝酸氧化成硝酸,这两个化学反应中释放出的化学能被硝化细菌用来将CO2和H2O合成糖类,供自身利用。
微判断2基于光合作用原理的应用,判断下列表述是否正确。1.光照强度是通过影响光反应来影响光合速率的。( )2.在一定范围内,随着光照强度的增大,光合速率也逐渐增大。( )3.光照强度影响光合作用但光质不影响光合作用。( )4.温度只影响暗反应,因为只有暗反应需要酶的催化。( )5.光合作用强度的影响因素有CO2浓度、温度和光照强度等外界因素。( )6.温度主要通过影响酶的活性对光合作用产生影响。( )
微训练2光合作用的正常进行受多种因素的影响。一个生物兴趣小组研究了矿质元素含量、光照强度和温度对光合作用的影响,下面是一名同学根据实验结果绘制的一组曲线,其中错误的是( )
解析:氮元素是构成酶、叶绿素、ATP、NADPH、核酸等的原料,是植物光合作用的必需元素,但光合作用强度不会随叶片中含N量的增加而持续增大。
一 光合作用的过程重难归纳1.光反应和暗反应的比较
2.光合作用中的几种能量关系(1)光反应中光能转换为化学能并非只储存于ATP中, NADPH中也含有能量。(2)光反应产生的ATP只用于C3的还原,不用于植物体的其他生命活动。(3)C3还原消耗的能量不只来自ATP,还可由NADPH提供。
(1)图中①~⑦分别是什么物质?提示:①叶绿体中的色素;②O2;③NADPH;④ATP;⑤C3;⑥CO2;⑦(CH2O)。(2)过程Ⅰ、Ⅱ分别表示什么阶段?发生的场所分别是哪里?提示:Ⅰ是光反应,发生在叶绿体类囊体的薄膜上;Ⅱ是暗反应,发生在叶绿体的基质中。(3)如果给植物提供14CO2,光合作用中放射性依次出现在哪些物质中?提示:放射性依次出现在CO2、C3、(CH2O)中。
(4)请结合光合作用和细胞呼吸的原理分析,如果给植物提供H218O,光照下较长时间后,放射性会出现在哪些物质中?提示:经光合作用后氧气中含有放射性,同时经过有氧呼吸,水、丙酮酸、二氧化碳等物质中也会含有18O,C18O2参与光合作用,C3和(CH2O)等物质中也会含有18O。因此放射性会出现在氧气、水、C3、二氧化碳、丙酮酸和(CH2O)等物质中。
典例剖析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
解析:(1)分析图示可知,模块1为将光能转化为电能的过程,模拟的是色素吸收光能的过程,模块2模拟的是水分解为氧和H+,并合成ATP的过程,因此两个模块模拟的是光反应过程。模块3则模拟的是暗反应过程。(2)模块3模拟暗反应过程,气泵泵入的是CO2,其中甲表示C5,乙表示C3。若正常运转过程中气泵突然停转,则输入暗反应系统中的CO2浓度下降,CO2固定减少,则C3的含量会减少。若气泵停转的时间较长,则暗反应过程为光反应提供的ADP、Pi和NADP+不足,会导致模块2中的能量转换效率下降。(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与植物的总光合作用量相等,由于该系统未模拟细胞呼吸,不会通过呼吸作用消耗糖类,而植物会发生呼吸作用,因此该系统积累的糖类多于植物。(4)干旱条件下,植物的光合作用速率降低的主要原因是干旱导致植物的蒸腾作用加强,植物为了防止水分散失会关闭气孔,叶片气孔开放程度降低,CO2吸收量减少。
规律总结 (1)光反应和暗反应是一个有机的整体,光反应不能进行时,暗反应也不能进行;暗反应被抑制时,光反应也被抑制。(2)叶绿体中的ADP和ATP移动的方向相反。①ADP的移动方向:叶绿体基质→类囊体的薄膜。②ATP的移动方向:类囊体的薄膜→叶绿体基质。
学以致用光合作用的产物糖类分子中的C、H、O分别来自( )A.二氧化碳、反应物水、产物水B.二氧化碳、二氧化碳、反应物水C.二氧化碳、反应物水、反应物水D.二氧化碳、反应物水、二氧化碳答案:D
解析:光合作用的原料为二氧化碳和水,则产物糖类分子中的C来自二氧化碳、H来自水;水在光反应中分解为H+和氧气,即水中的O全部生成氧气,故糖类分子中的O来自二氧化碳。
二 探究光照强度对光合作用强度的影响重难归纳1.实验原理正常状态下,叶片的叶肉细胞间隙充满气体,圆形小叶片在水中会浮在水面上,抽气后会下沉;叶片进行光合作用时产生氧气,氧气充满细胞间隙,圆形小叶片会上浮;光合作用越强,单位时间内圆形小叶片上浮的数量越多。
2.实验中沉水叶片的制备(1)圆形小叶片的制备:用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出圆形小叶片。(2)沉水:用注射器抽出叶片内的气体,放入黑暗处盛有清水的烧杯中,圆形小叶片全部沉到水底。(3)放入黑暗处的目的:防止叶片进行光合作用。
3.实验装置分析(1)自变量的设置:光照强度是自变量,通过调整台灯与烧杯之间的距离来调节光照强度的大小。(2)因变量是光合作用强度,可通过观测单位时间内被抽出气体的圆形小叶片上浮的数量或者是浮起相同数量的叶片所用的时间长短来衡量光合作用的强弱。
圆形小叶片只要进行光合作用就会上浮吗?请分析圆形小叶片在什么情况下会上浮。提示:(1)在弱光下,光合作用强度小于或等于呼吸作用强度,叶片中没有足够的氧气,叶片仍然沉在水底。(2)在达到一定光照强度时,只要光合作用强度大于呼吸作用强度,叶片中就会有足够多的氧气产生,从而充满细胞间隙,使叶片浮起来。
典例剖析某同学为探究光照强度对光合作用强度的影响,设计实验如下:摘取外形正常、生长旺盛的绿叶若干,在绿叶上避开大的叶脉用打孔器打出直径为0.6 cm的圆形小叶片40片;用适当方法使圆形小叶片内部的气体全部逸出,放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用,此时叶片全部沉在水底。
(1)实验中圆形小叶片下沉的原因是 。 (2)欲研究光照强度对光合作用强度的影响,在实验室只有一种40 W灯泡的情况下,可以通过 达到目的。 (3)在此实验基础上给予 等条件,观察实验现象。 (4)本实验的检测指标为 。(5)若圆形小叶片取自大叶脉处,则所测得的光合作用强度会较当前值偏 。
答案:(1)叶片的细胞间隙充满了水 (2)调节光源与烧杯间的距离 (3)适宜温度和CO2浓度 (4)相同时间内圆形小叶片浮起的数量或全部圆形小叶片上浮所需时间 (5)低
解析:(1)用注射器使圆形小叶片内的气体逸出,细胞间隙中充满水,因此圆形小叶片会沉入水底。(2)可通过改变光源与烧杯的距离来调节光照强度。(3)探究光照强度对光合作用强度的影响时,光照强度为自变量,光合作用强度为因变量;其他条件为无关变量,应保持一致且适宜。(4)本实验中相同时间内叶片浮起来的数量或全部叶片上浮所需时间可以用来判断光合速率的大小,从而观察光照强度对光合作用强度的影响。(5)叶脉处的叶绿体少,光合作用较弱。
归纳总结 取材关键及实验结果分析(1)打孔时避开大的叶脉是因为大的叶脉部位含有的叶绿体少。(2)用注射器使圆形小叶片内的气体逸出是为了防止细胞内原本存在的气体逸出影响实验结果。(3)该实验中所取的叶片大小和生理状态应该是相同的,打孔时要取叶片的相同部位。(4)本实验中的数值并不代表真正的光合速率,而是光合作用的净积累值,即光合作用与呼吸作用的差值。
学以致用图甲为研究光合作用的实验装置。用打孔器在某植物的叶片上打出多个圆形小叶片,再用气泵抽出圆形小叶片内的气体直至叶片沉入水底,然后将等量的圆形小叶片转至含有不同浓度的NaHCO3溶液中,给予一定的光照,测量每个培养皿中圆形小叶片上浮至液面所用的平均时间(见图乙),以研究光合速率与NaHCO3溶液浓度的关系。下列有关分析正确的是( )
A.在AB段,随着NaHCO3溶液浓度的增加,光合速率逐渐减小B.在BC段,单独增加光照、温度或NaHCO3溶液浓度,都可以缩短圆形小叶片上浮至液面的时间C.在C点以后,因NaHCO3溶液浓度过高,使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降D.因配制的NaHCO3溶液中不含O2,所以整个实验过程中叶片不能进行呼吸作用答案:C
解析:在AB段,随着NaHCO3溶液浓度的增加,圆形小叶片上浮至液面所用的平均时间变短,表明光合速率逐渐增大。在BC段,单独增加光照或温度可以缩短圆形小叶片上浮至液面所用的时间,但单独增加NaHCO3溶液浓度不能缩短圆形小叶片上浮至液面所用的时间。在C点以后,因NaHCO3溶液浓度过高,使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降。凡是活细胞都能进行呼吸作用。
三 影响光合作用的因素及在生产中的应用重难归纳1.光照强度(1)曲线分析。
①关键点:A点时,光照强度为0,此时只进行细胞呼吸,单位时间内释放的CO2量表示呼吸速率;B点时,细胞呼吸释放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等,此时的光照强度称为光补偿点;C点对应的光照强度为光饱和点,此时光照强度增加,光合作用强度不再增加。②关键线段:AB段光合作用强度小于呼吸作用强度;BC段光合作用强度大于呼吸作用强度。(2)应用:阴雨天适当补充光照,及时对大棚除霜消雾。
②关键点分析:图中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度,即CO2补偿点;图中的B点对应的CO2浓度是CO2饱和点。(2)应用:温室中适当增加CO2浓度,如投入干冰等;大田中“正其行,通其风”,通过多施有机肥来提高CO2浓度。
3.温度(1)曲线分析。①影响原理:温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度。②曲线分析:B点对应的温度是最适温度,此时光合作用最强,高于或低于此温度,光合作用强度都会下降。(2)应用:温室栽培时,白天适当提高温度,夜间适当降低温度。
4.水及无机营养对光合作用的影响(1)原理。①N元素、Mg元素等是叶绿素合成的必需元素,若这些元素缺乏,会影响叶绿素的合成,进而影响光合作用。②水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质。水还会影响气孔的开闭,从而影响CO2进入植物体。(2)应用:①合理施肥;②预防干旱,合理灌溉。
提示:光照强度增强或CO2浓度降低。光照强度增加,光反应产生的NADPH和ATP增多,被还原的C3增多,生成的C5增多,而CO2被C5固定形成C3的过程不变,故C3的含量将减少,C5的含量将增加;CO2浓度降低,CO2的固定减弱,生成的C3减少,而C5积累。
归纳总结 分析当光照强度与CO2浓度发生骤变时,C3、C5、NADPH和ATP的变化
(1)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化。(2)以上各物质变化中,C3和C5含量的变化是相反的,NADPH和ATP含量的变化是一致的。(3)具体分析时要弄清C3、C5的“来源”与“去路”(C3产生于CO2的固定,消耗于C3的还原;C5产生于C3的还原,消耗于CO2的固定)。
典例剖析下列曲线图中有M、N、R、P、Q五个点,对它们含义的叙述正确的是( )①M点时,植物既进行光合作用,也进行呼吸作用,且光合作用强度弱于呼吸作用强度 ②N点时,植物体只进行呼吸作用;R点时,植物体的光合作用强度等于呼吸作用强度 ③Q点时,光照强度不再是限制光合速率的因素,CO2浓度是限制光合速率的主要因素 ④P点之前,限制光合速率的主要因素是光照强度A.①②B.①③C.③④D.②④
解析:M点时,光照强度为0,植物只进行呼吸作用,①错误;N点时,净光合速率为0,说明光合作用强度和呼吸作用强度相等,R点在M点与N点之间,所以植物体的光合作用强度小于呼吸作用强度,②错误;Q点之后,随着光照强度的增加,光合速率不再改变,光照强度不再是影响光合速率的主要因素,而相同光照强度下,随CO2浓度的提高,光合速率也提高,所以此时CO2浓度是限制光合速率的主要因素,③正确;P点前,随光照强度的增大,光合速率增大,影响光合速率的主要因素是光照强度,④正确。
规律总结 光合速率与呼吸速率的相关分析(1)植物“三率”的判定。①根据坐标曲线判定:当光照强度为0时,若CO2吸收值为负值,该值的绝对值代表呼吸速率,该曲线代表净光合速率;当光照强度为0时,若CO2吸收值为0,该曲线代表总光合速率。
③总光合速率=净光合速率+呼吸速率。④曲线图:
(2)光合速率与植物生长。 ①当净光合速率>0时,植物因积累有机物而生长。 ②当净光合速率=0时,植物不能生长。 ③当净光合速率<0时,植物不能生长,长时间处于此种状态,植物将死亡。
学以致用下图表示在光照下和黑暗中温度对某种植物CO2吸收量和释放量的影响。已知除了温度变化之外,其他环境条件(如光照强度等)不变。下列说法正确的是( )A.根据图中曲线无法确定细胞呼吸的最适温度B.光照下CO2的吸收量表示光合作用所同化的CO2量C.图中A点表示光合作用强度与呼吸作用强度相等D.环境温度超过25 ℃时,植物体内有机物的量会减少
解析:据图可知,在黑暗中,随着温度的上升,CO2的释放量在逐渐增加,没有出现最大值,A项正确。植物光合作用同化的CO2量包括光照下CO2的吸收量和细胞呼吸释放的CO2量,B项错误。图中A点表示净光合作用强度与呼吸作用强度相等,总光合作用强度是呼吸作用强度的2倍,C项错误。环境温度超过25 ℃时,光照下CO2的吸收量仍大于0,即净光合作用强度大于0,植物体内有机物的量仍在不断积累,D项错误。
1.下图所示为叶绿体中的某种结构及其上发生的物质和能量变化。下列有关叙述错误的是( )A.图中的①是植物吸收的水分子B.光合色素都分布在结构②上C.光能转变为NADPH和ATP中的化学能D.NADPH、O2和ATP都能用于暗反应答案:D解析:光反应产生的NADPH和ATP用于暗反应,O2被释放出去或被线粒体利用。
2.右图表示某种植物在最适温度和CO2的体积分数为0.03%的条件下,光合作用合成量随光照强度变化的曲线。若在B点时改变某种条件,结果发生了如曲线b所示的变化,则改变的环境因素是( )A.适当提高温度B.增大光照强度C.适当增加CO2的体积分数D.增加酶的数量答案:C
解析:此时温度已经是最适温度,所以再提高温度会使酶的活性降低,光合作用速率降低;B点是光饱和点,此时光照强度不再是限制光合作用的因素;CO2的体积分数为0.03%,相对较低,所以增加CO2的体积分数会提高光合速率;酶的数量属于影响光合作用的内因。
3.为提高温室大棚中蔬菜的产量,应采取的正确措施是( )A.在白天和夜间都应适当降低温度B.在白天和夜间都应适当提高温度C.在夜间适当提高温度,在白天适当降低温度D.在白天适当提高温度,在夜间适当降低温度答案:D
解析:植物在白天进行光合作用和细胞呼吸,在夜间只进行细胞呼吸。白天适当提高温度可以增强光合作用强度,夜间适当降低温度可以减少细胞呼吸对有机物的消耗,从而使有机物的积累增多,产量提高。
4.在下图所示的玻璃容器中,注入一定浓度的NaHCO3溶液并投入少量的在新鲜绿叶上取出的圆形小叶片,密闭后,设法减小液面上方的气体压强,会看到圆形小叶片沉入水中。然后再用光照射容器,又会发现圆形小叶片重新浮上液面。光照后圆形小叶片重新浮上液面的原因是( )A.圆形小叶片吸水膨胀,密度减小B.圆形小叶片进行光合作用所产生的O2充满细胞间隙C.溶液内产生的CO2大量附着在圆形小叶片上D.NaHCO3溶液因放出CO2而密度增大
5.用高速离心机打碎小球藻细胞,获得可以进行光合作用的离体叶绿体,进行如下图所示的实验。请分析回答下列问题。
(1)实验A中离体的叶绿体能合成糖类,NaHCO3溶液所起的作用是 。若要使该实验中没有糖类产生,烧杯中的液体应改为 。 (2)若要使实验B中离体的叶绿体内糖类合成速度明显加快,在光照和CO2浓度条件不变且适宜的情况下,可考虑采用 的方法。
(3)若要使实验C中离体的叶绿体产生糖类,锥形瓶内至少应加入 和 。 (4)科学家鲁宾和卡门以小球藻为实验材料,用18O分别标记H2O和CO2,最终证明光合作用释放的O2来自H2O;科学家卡尔文用14C标记CO2供小球藻进行光合作用,探明了卡尔文循环途径。以上科学家在实验中共同使用了 技术。
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