2024届高考生物一轮复习第3单元高频考点进阶课1光合作用与细胞呼吸的综合应用课件

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类型1 光合作用和细胞呼吸之间的物质和能量关系
(2021·全国卷Ⅰ)生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题：(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有_____________________。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和________________释放的CO2。
(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止________________________，又能保证______________正常进行。(3)若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。_________________________________________________________________________________________________________________(简要写出实验思路和预期结果)。
解析：(1)白天叶肉细胞既能进行光合作用，又能进行呼吸作用，因此叶肉细胞能产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜。光合作用为有氧呼吸提供有机物和氧气，反之，细胞呼吸产生的二氧化碳也能用于光合作用暗反应，故光合作用所需的CO2可来源于苹果酸脱羧和细胞呼吸释放的CO2。(2)由于环境干旱，植物吸收的水分较少，为了维持机体的平衡，气孔白天关闭能防止白天因温度较高、蒸腾作用较强，导致植物体水分散失过多，晚上气孔打开吸收二氧化碳储存固定，以保证光合作用等生命活动的正常进行。(3)该实验自变量是植物甲所处的生存环境是否干旱，由于夜间气孔打开吸收二氧化碳，生成苹果酸储存在液泡中，会导致液泡pH降低，故可通过检测液泡的pH验证植物甲存在该特殊方式，即因变量检测指标是液泡中的pH。
答案：(1)细胞质基质、线粒体(线粒体基质和线粒体内膜)、叶绿体类囊体薄膜　细胞呼吸(或呼吸作用)(2)蒸腾作用过强导致水分散失过多　光合作用　(3)实验思路：取生长状态相同的植物甲若干株随机均分为A、B两组；A组在(湿度适宜的)正常环境中培养，B组在干旱环境中培养，其他条件相同且适宜，一段时间后，分别检测两组植株夜晚同一时间液泡中的pH，并求平均值。预期结果：A组pH平均值高于B组
1．图解法理清光合作用与细胞呼吸中NADH、NADPH和ATP的来源及去路(1)NADH、NADPH的来源和去路比较。
(2)ATP的来源与去路比较。
1．将生长状况相同的某种植物的叶片分成4等份，在不同温度下分别暗处理1 h，再光照1 h(光照强度相同)，测其重量变化，得到如下数据。由此可以得出的结论是(　　)
A．27 ℃是该植物光合作用的最适温度B．29 ℃时该植物呼吸作用消耗有机物最多C．27～29 ℃净光合速率相等D．30 ℃下实际光合速率为6 mg/h
B　解析：光合速率＝光照后与暗处理前重量变化＋2×暗处理后重量变化，经过计算可知，27 ℃、28 ℃、29 ℃、30 ℃的光合速率依次是：3＋1＋1＝5(mg/h)、3＋2＋2＝7(mg/h)、3＋3＋3＝9(mg/h)、1＋1＋1＝3(mg/h)，故给出的实验条件下29 ℃时光合速率最快，植物光合作用的最适温度是29 ℃，A、D错误；结合表中数据可知，27 ℃、28 ℃、29 ℃、30 ℃的呼吸速率依次是：1 mg/h、2 mg/h、3 mg/h、1 mg/h，故29 ℃时植物呼吸速率最快，植物呼吸作用消耗有机物最多，B正确；净光合速率＝光照后与暗处理前重量变化＋暗处理后重量变化，经过计算可知，27 ℃、28 ℃、29 ℃的净光合速率依次是：4 mg/h、5 mg/h和6 mg/h，C错误。
2．(2022·河北邯郸模拟)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。下列叙述错误的是(　　)A．若植物缺镁，则首先会受到显著影响的是③B．②的进行与⑤⑥密切相关C．蓝细菌细胞中④发生在叶绿体基质中D．叶肉细胞③中O2的产生量小于⑥中O2的吸收量，则该细胞内有机物的总量将减少
C　解析：镁是合成叶绿素的必需成分，光反应阶段需要叶绿素吸收光能，若植物缺镁则叶绿素的合成受到影响，首先会受到显著影响的生理过程是③光反应过程，A正确；②是植物细胞通过主动运输吸收无机盐离子的过程，需要消耗能量，故与⑤⑥过程密切相关，B正确；蓝细菌细胞是原核细胞，没有叶绿体，C错误；图中③光反应过程O2的产生量小于⑥有氧呼吸过程O2的吸收量，则净光合作用量小于0，该植物体内有机物的量将减少，D正确。
类型2　光合作用和细胞呼吸的综合曲线分析
(2018·全国卷Ⅲ)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”)。
解析：(1)高等植物进行光合作用捕获光能的物质是光合色素，该物质分布在叶绿体的类囊体薄膜上，其捕获的光主要是蓝紫光和红光。(2)由题图中曲线可以看出，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，两者差值减小，故群体干物质积累速率降低。(3)通常，阴生植物的光合速率和呼吸速率都比阳生植物低，因此与阳生植物相比，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低。答案：(1)类囊体(薄)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．曲线辨析真正光合速率、净光合速率与呼吸速率的关系(1)绿色组织在黑暗条件下或非绿色组织测得的数值为呼吸速率(A点)。(2)绿色组织在有光条件下光合作用与细胞呼吸同时进行，测得的数据为净光合速率。(3)真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
(4)植物“三率”的判断方法。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，该曲线代表真正光合速率。
2．微观辨析总光合速率、净光合速率和呼吸速率的关系(以光合速率大于呼吸速率为例)
3．常考曲线分析(1)叶面积指数对光合作用和细胞呼吸的影响。
交点D对应E，此时净光合量为“0”，B点为植物生长最快点。
(2)温度对光合作用和细胞呼吸的影响。
ab间差(a－b)：净光合强度或干物质量。交点F：光合强度＝呼吸强度(此时净光合速率＝0，植物不能生长)。
提醒：总光合速率与呼吸速率曲线交点处表示此时光合速率＝呼吸速率，不要认为净光合速率曲线与呼吸速率曲线交点处也表示光合速率＝呼吸速率，此时总光合速率是呼吸速率的2倍。
4．光合速率与植物生长的关系(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。
5．自然环境及密闭容器中植物光合作用曲线及分析(1)自然环境中一昼夜植物光合作用曲线(a点温度最低)。①开始进行光合作用的点：b。②光合作用与呼吸作用相等的点：c、e。③开始积累有机物的点：c。④有机物积累量最大的点：e。
(2)密闭容器中一昼夜植物光合作用曲线。①光合作用强度与呼吸作用强度相等的点：D、H。②该植物一昼夜表现为生长，其原因是I点CO2浓度低于A点CO2浓度，说明一昼夜密闭容器中CO2浓度减小，即植物光合作用>呼吸作用，植物生长。
提醒：a．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。b．光照下吸收CO2量应为净光合量。c．光照培养阶段，密闭装置中CO2浓度变化量应为光合作用强度与呼吸作用强度间的“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．(2021·北京卷)将某种植物置于高温环境(HT)下生长一定时间后，测定HT植株和生长在正常温度(CT)下的植株在不同温度下的光合速率，结果如图。由图不能得出的结论是(　　)A．两组植株的CO2吸收速率最大值接近B．35 ℃时两组植株的真正(总)光合速率相等C．50 ℃时HT植株能积累有机物而CT植株不能D．HT植株表现出对高温环境的适应性
B　解析：由题图可知，CT植株和HT植株的CO2吸收速率最大值基本一致，都接近于3 mml·cm-2·s-1，A正确；CO2吸收速率代表净光合速率，而真正(总)光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。35 ℃时，两组植株的净光合速率相等，但呼吸速率未知，故35 ℃时两组植株的真正(总)光合速率无法比较，B错误；50 ℃时，HT植株的净光合速率大于零，说明能积累有机物，而CT植株的净光合速率等于零，说明不能积累有机物，C正确；在较高的温度下HT植株的净光合速率仍大于零，能积累有机物进行生长发育，体现了HT植株对高温环境较适应，D正确。
2．图甲为研究光照强度对某植物光合作用强度影响的实验示意图，图乙表示其细胞气体交换情况，图丙表示光照强度与光合速率的关系，图丁表示夏季晴朗的一天，某种绿色植物在24小时内O2吸收速率的变化示意图(单位：mg/h)。A、B点对应时刻分别为6时和19时。请回答下列问题：
(1)图乙中光反应的具体部位是[　　]__________(填字母及名称)，反应中的能量变化是______________________________________。(2)图丙中限制A～C段光合速率的主要因素是________________。若提高温度，曲线的变化是________(填“上移”“下移”“不动”或“无法确定”)。
(3)图丁中24小时内不进行光合作用的时段是________。(4)图丁中测得该植物一昼夜的O2净释放量为300 mg，假设该植物在24小时内呼吸速率不变，则该植物一天通过光合作用产生的O2总量是________mg。图丁中阴影部分所表示的O2释放量________(填“大于”“等于”或“小于”)300 mg。
解析：(1)光合作用光反应的场所在a类囊体薄膜上，能量变化为光能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能。(2)图丙中曲线表示在一定范围内，光合速率随光照强度的增加而增加，但超过一定的范围(光饱和点)后，光合速率不再增加，在A～C段限制光合作用强度的因素主要是光照强度。由于题干中未提及实验温度是否为最适温度，因此若提高温度，曲线中C点的变化将无法确定。
(3)图丁表示夏季晴朗的一天，某种绿色植物在24小时内O2吸收和释放速率的变化，24小时内不进行光合作用时，O2的吸收速率最大，所以0～5和20～24(或20～5)时段不进行光合作用。(4)该植物一昼夜的O2净释放量为300 mg(白天光合作用量－一昼夜呼吸作用量)，呼吸速率为12，故24小时呼吸量为288 mg，实际(总)光合量＝净光合量＋呼吸量＝300＋288＝588(mg)。图丁中阴影部分表示的是O2释放量，即白天(AB段)光合作用的积累量，由于夜晚只进行呼吸作用，因此阴影部分所表示的O2释放量大于300 mg。
答案：(1)a　类囊体薄膜　光能转化为ATP和NADPH中活跃的化学能　(2)光照强度　无法确定　(3)0～5和20～24(或20～5)　(4)588　大于
类型3　光合速率和呼吸速率的测定方法
(2019·全国卷Ⅱ，节选)通常，对于一个水生生态系统来说，可根据水体中含氧量的变化计算出生态系统中浮游植物的总初级生产量(生产者所制造的有机物总量)。若要测定某一水生生态系统中浮游植物的总初级生产量，可在该水生生态系统中的某一水深处取水样，将水样分成三等份，一份直接测定O2含量(A)；另两份分别装入不透光(甲)和透光(乙)的两个玻璃瓶中，密闭后放回取样处，若干小时后测定甲瓶中的O2含量(B)和乙瓶中的O2含量(C)。据此回答下列问题：
在甲、乙瓶中生产者呼吸作用相同且瓶中只有生产者的条件下，本实验中C与A的差值表示这段时间内______________________________；C与B的差值表示这段时间内________________________；A与B的差值表示这段时间内__________________。
解析：依题意可知，甲、乙两瓶中只有生产者，A值表示甲、乙两瓶中水样的初始O2含量；甲瓶O2含量的变化反映的是呼吸作用耗氧量，因此B＝A－呼吸作用耗氧量；乙瓶O2含量变化反映的是净光合作用放氧量，所以C＝A＋光合作用总放氧量－呼吸作用耗氧量。综上分析，本实验中，C－A＝光合作用总放氧量－呼吸作用耗氧量＝净光合作用的放氧量，即C与A的差值表示这段时间内生产者净光合作用的放氧量；C－B＝光合作用总放氧量，即 C与B的差值表示这段时间内生产者的光合作用的总放氧量；A－B＝呼吸作用耗氧量，即 A与B的差值表示这段时间内生产者的呼吸作用耗氧量。答案：生产者净光合作用的放氧量　生产者光合作用的总放氧量　生产者呼吸作用的耗氧量
1．细胞呼吸的测定(1)实验装置。
(2)实验原理。①装置甲中NaOH溶液的作用是吸收细胞呼吸所产生的CO2，红墨水滴移动的距离代表生物材料有氧呼吸吸收O2的量。②装置乙中红墨水滴移动的距离与生物材料无氧呼吸产生CO2的量有关。
(3)实验现象与结论。
(4)误差校正：为防止气压、温度等物理因素的干扰，减少误差，设置下图所示的装置(除将装置中生物材料换为死亡的等量同种生物材料外，其余均与装置乙相同)。
(5)注意事项。①若所放材料为绿色植物，整个装置必须遮光处理，否则植物组织的光合作用会干扰呼吸速率的测定。②为防止微生物呼吸对实验结果的干扰，应将装置及所测材料进行消毒处理。③如果实验材料是酵母菌，实验所用的葡萄糖溶液需煮沸，目的是灭菌，排除其他微生物的细胞呼吸对实验结果的干扰。
2．光合速率的测定(1)有色液滴移动法。①将植物(甲装置)置于黑暗中一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算呼吸速率。②将同一植物(乙装置)置于光下一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算净光合速率。③根据呼吸速率和净光合速率可计算得到真正光合速率。
(2)叶圆片称重法。测定单位时间、单位面积叶片中有机物的生成量，如图所示以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。①净光合速率＝(z－y)/2S；②呼吸速率＝(x－y)/2S；③总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。
(3)黑白瓶法。“黑白瓶”问题是一类通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算总光合作用强度的试题，其中“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，测定的是净光合作用量，可分为有初始值与没有初始值两种情况，规律如下：规律1：有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量(或二氧化碳的增加量)为有氧呼吸量；白瓶中氧气的增加量(或二氧化碳的减少量)为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。规律2：没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量与黑瓶中测得的现有量之差为总光合作用量。
A．下午4时后在阳光下照射3小时再遮光3小时B．下午4时后将整个实验装置遮光6小时C．下午4时后在阳光下照射6小时D．下午4时后将整个实验装置遮光3小时D　解析：依题意，总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，净光合速率为[(y－x)/6] g·cm-2·h-1，还需测定呼吸速率，所以遮光3小时，呼吸速率为[(y－z)/3]g·cm-2·h-1，总光合速率＝(y－x)/6＋(y－z)/3＝(3y－2z－x)/6(g·cm-2·h-1)。
2．某生物科研小组，从鸭绿江的某一深度取得一桶水样，分装于六对黑白瓶中，剩余的水样测得初始溶解氧的含量为10 mg/L，白瓶为透明玻璃瓶，黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。将它们分别置于六种不同的光照条件下(aA．黑瓶中的生物呼吸消耗氧气，但没有光照，植物不能进行光合作用产生氧B．光照强度为a时，白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧量相等，说明此光照强度下植物仍然不能进行光合作用C．当光照强度为c时，白瓶中植物产生的氧气量为21 mg/LD．当光照强度为d时，再增加光照强度，白瓶中植物的光合速率不再增加
B　解析：黑瓶中的生物呼吸消耗氧气，但没有光照，植物不能进行光合作用产生氧；光照强度为a时，白瓶中溶解氧的含量与初始溶解氧量相等，说明植物光合作用产生的氧刚好用于瓶内生物的呼吸作用消耗；当光照强度为c时，白瓶中植物光合作用产生的氧气量为总光合作用量＝净光合作用量＋呼吸作用消耗量＝24－10＋7＝21(mg·L-1)；由d、e两组数据可知，当光照强度为d时，再增加光照强度，瓶中溶解氧的含量也不再增加，即白瓶中植物的光合速率不再增加。
3．下图是探究光照强度对黑藻光合作用影响的实验装置简图，将该装置置于不同光照强度但温度适宜且恒定、气压稳定的条件下得到下表实验数据，其中每小格刻度对应气体变化量是10 μml。整个过程中呼吸速率保持不变，回答下列问题：
(1)如果光照强度是0 μml·m-2·s-1，U形管右侧液面降低，原因是______________________________________________________________________________________________；此时叶肉细胞中产生ATP最多的部位是______________。(2)光照强度在0～100 μml·m-2·s-1范围内时，限制光合速率的主要环境因素是__________。当光照强度大于150 μml·m-2·s-1时，限制光合速率的主要环境因素是______________，此时可通过______________________来解决。
(3)如果给予锥形瓶光照且要保持U形管右侧有色液体不动，则光照强度应控制在表格中的____________范围内的某一强度，此光照强度下，叶肉细胞中光合速率和呼吸速率的大小关系是__________。
解析：(1)没有光照，题图锥形瓶中的黑藻只进行细胞呼吸消耗O2，且释放的CO2被CO2缓冲液吸收，因此锥形瓶内的气压降低，U形管右侧液面会下降。细胞呼吸过程中，有氧呼吸的第三阶段产生ATP最多，场所是线粒体内膜。(2)光照强度在0～100 μml·m-2·s-1范围内时，随着光照强度的增大，光合速率也在增大，所以此时限制光合速率的主要环境因素是光照强度。当光照强度大于 150 μml·m-2·s-1时，随着光照强度的增大，光合速率不再增大，温度条件适宜，所以此时限制光合速率的主要环境因素是CO2浓度，可通过适当提高CO2缓冲液浓度的方法来解决这个问题。
(3)如果给予锥形瓶光照且保持U形管右侧有色液体不动，说明植株的光合速率等于呼吸速率。由表格实验数据可知，细胞呼吸速率为20 μml·h-1。当光照强度为50 μml·m-2·s-1时，植株的净光合速率等于60 μml·h-1，则植株净光合速率等于0对应的光照强度应在0～50 μml·m-2·s-1范围内，此时植株的光合速率等于呼吸速率，叶肉细胞的光合速率大于呼吸速率。