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2025届高考 一轮复习 人教版 捕获光能的色素和结构、光合作用的原理 课件(多选版)
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这是一份2025届高考 一轮复习 人教版 捕获光能的色素和结构、光合作用的原理 课件(多选版)，共54页。PPT课件主要包含了实验步骤，实验结果及分析，光合色素几乎不，吸收绿光，无显著差别，叶绿体色素提取液，叶绿体基质，色素酶等，有机物，无或白等内容，欢迎下载使用。
考点一 捕获光能的色素和结构
【精梳·攻教材】一、绿叶中色素的提取和分离1.实验原理:
二、叶绿体中色素的吸收光谱
【名师点睛】 藻类的显色原理海洋中的藻类有绿藻、褐藻和红藻,这与其吸收的光的波长有关,不同颜色的藻类吸收不同波长的光,藻类本身的颜色是它们“反射”的光。
三、叶绿体的结构适合于进行光合作用
【辨·清易错】 1.在叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。( )分析:叶绿体中叶黄素和胡萝卜素吸收的光能也能用于光合作用。2.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,所以用无水乙醇分离绿叶中的色素。( )分析:因色素易溶于有机溶剂,所以无水乙醇在色素的提取和分离实验中起到提取色素的作用。3.制备滤纸条时将滤纸条剪去两角的目的是使色素在滤纸条上扩散时均匀整齐。( )4.层析时试管口加棉塞的目的是防止层析液挥发。( ) 5.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同。( )6.绿叶中含量越多的色素,其在滤纸条上扩散得越快。( )分析:溶解度高的色素随层析液在滤纸条上扩散得快。
【写·练表达】1.(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里不用发绿光的光源,原因是__________________________。2.(必修1 P100 “思考·讨论”延伸)在恩格尔曼的第二个实验中,若将透过三棱镜的光先通过叶绿体色素提取液,再照射到载有水绵和需氧细菌的临时装片上,一段时间后,需氧细菌分布的特点是____________,原因是______________________________________________________________________________。
主要吸收红光和蓝紫光,导致水绵不同部位的光合作用强度相差不大
【精练·提能力】1.(2024·保定模拟)下列关于绿叶中色素的提取和分离实验的分析,正确的是( )A.无水乙醇和层析液分别用于分离色素、提取色素B.CaCO3和SiO2均有利于防止色素分子被酸破坏C.画滤液细线要细、匀,画线后应立即重复画线1次D.在滤纸条上扩散速度最快的色素主要吸收蓝紫光【解析】选D。无水乙醇用于提取色素,而层析液用于分离色素,A错误;CaCO3有利于防止色素分子被酸破坏,SiO2有利于研磨充分,B错误;画滤液细线要细、匀,待滤液细线干燥后,再重复画线1～2次,C错误;滤纸条上扩散最快的色素是胡萝卜素,其主要吸收蓝紫光,D正确。
提升·关键能力——实验原理和结果分析“绿叶中色素的提取和分离”实验中的异常现象分析
2.(多选)(2023·深圳模拟)某研究小组用四种不同的方法对欧李叶片中的光合色素进行提取,实验结果如图所示。下列分析正确的是( )A.研磨法提取时使用碳酸钙可以防止色素被破坏B.不同提取剂的提取效果会受到提取方法的影响C.丙酮和乙醇的混合液提取光合色素的效果最佳D.四种提取色素的方法都涉及细胞膜结构的破坏
【解析】选A、B、D。碳酸钙可以中和有机酸,防止色素被破坏,A正确;不同提取剂对于光合色素的提取量不同,所以提取效果会受到提取方法的影响,B正确;根据图表可知丙酮和乙醇的混合液提取光合色素的量在干样浸提法中较少,所以其效果不算最佳,C错误;色素位于细胞内,想提取色素必须破坏细胞膜结构,所以四种提取色素的方法都涉及细胞膜结构的破坏,D正确。
3.(2023·兰州模拟)下列关于叶绿体的叙述,正确的是 ( )A.叶绿体的外膜、内膜极大地扩展了受光面积B.类囊体薄膜中的酶可催化CO2的固定和还原C.类囊体薄膜上的光合色素都可以吸收蓝紫光D.叶绿体基质中NADP+能形成NADPH【解析】选C。叶绿体中增大受光面积的是类囊体膜,A错误;CO2分子的固定和还原属于暗反应,发生在叶绿体基质中,相关酶分布在叶绿体基质中,B错误;类囊体膜上的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,因此类囊体薄膜上的光合色素都可以吸收蓝紫光,C正确;NADP+形成NADPH发生在光反应过程中,场所是叶绿体的类囊体膜,D错误。
【加固训练】1.(2024·信阳模拟)为研究高光照强度对移栽幼苗光合色素的影响,某同学用无水乙醇提取叶绿体色素,用层析液进行纸层析,如图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列叙述正确的是( )A.高光照强度导致该植物胡萝卜素的含量降低B.叶绿素含量增加有利于该植物抵御高光照强度C.色素Ⅲ、Ⅳ吸收光谱的吸收峰波长有差异D.画滤液细线时,滤液在点样线上只能画一次
【解析】选C。Ⅰ为胡萝卜素,Ⅱ为叶黄素,Ⅲ为叶绿素a,Ⅳ为叶绿素b,由图可知,高光照强度导致该植物胡萝卜素的含量升高,A错误;据图可知,与正常光照强度相比,高光照强度叶绿素含量降低,说明叶绿素含量降低有利于该植物抵御高光照强度,B错误;Ⅲ为叶绿素a,Ⅳ为叶绿素b,吸收光谱的吸收峰波长有差异,C正确;画滤液细线时,滤液在点样线上需要重复画几次,D错误。
2.如图为正常绿叶的叶绿素 a的吸收光谱、色素总吸收光谱以及光合作用的作用光谱(作用光谱代表不同波长下植物的光合作用效率)。由图中信息分析,下列叙述错误的是( )A.色素的吸收光谱可以通过测量对不同波长光的吸收值来绘制,作用光谱可以通过测量不同波长相应的O2释放量来绘制B.总吸收光谱与叶绿素 a吸收光谱曲线不吻合,说明绿叶中还含有其他吸收光能的色素C.总吸收光谱与作用光谱表现出高度一致性,说明绿叶中色素吸收的光能几乎都能用于光合作用D.总吸收光谱与作用光谱在 450～500 nm波长处出现较大差异,说明其他色素对能量的转换效率比叶绿素对能量的转换效率高
【解析】选D。色素的吸收光谱可以通过测量对不同波长光的吸收值来绘制;作用光谱代表各种波长下植物的光合作用效率,可以通过测量不同波长相应的O2释放量来绘制,A正确。总吸收光谱与叶绿素a吸收光谱曲线不吻合,说明绿叶中除了叶绿素a,还含有其他色素也能吸收光能,B正确。总吸收光谱与作用光谱表现出高度一致性,说明绿叶中色素吸收的光能几乎都能用于光合作用,C正确。绿叶中的类胡萝卜素主要吸收450～500 nm波长的光(蓝紫光),在可见光的其他波段,总吸收光谱与作用光谱几乎完全重叠,说明叶绿素吸收的光能几乎全部用于光合作用;450～500 nm波长处出现较大差异,说明类胡萝卜素吸收的光能有一部分不能转化成光合作用的能量,叶绿素比其他色素对能量的转换效率高,D错误。
【方法规律】巧记色素吸收光谱图中的“三、二、一”(1)“三”指三条曲线:分别代表叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素吸收的光谱曲线。(2)“二”指叶绿素a、b及两个吸收区域:叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,其中叶绿素a的吸收光谱范围比叶绿素b的更宽。(3)“一”指类胡萝卜素及一个吸收区域:类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素,主要吸收蓝紫光。
考点二 光合作用的原理
【精梳·攻教材】一、光合作用的探究历程
二、光合作用的过程1.过程图解:2.光反应与暗反应的比较:
【名师点睛】 光合作用两点提醒(1)光反应中的电子传递: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。(2)光反应与暗反应的联系:光反应为暗反应提供ATP和NADPH,暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+;没有光反应,暗反应无法进行,没有暗反应,有机物无法合成,也会抑制光反应。
三、光合作用的概念和反应式1.光合作用的概念:绿色植物通过叶绿体,利用______,将二氧化碳和水转化成储存着能量的________,并且释放出______的过程。2.反应式(箭头表示元素的去向):
【辨·清易错】1.鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物是淀粉。( )分析:鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物——氧气中的氧来自水。2.植物细胞产生的O2只能来自光合作用。( )分析:植物细胞中H2O2分解也能产生O2。3.颤蓝细菌也能进行光合作用制造有机物。( )4.光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜。( )分析:ATP移动方向是从类囊体薄膜到叶绿体基质。5.在光合作用中C从CO2开始先后经C3、C5最后形成糖类。( )分析:在光合作用中C元素从CO2经C3形成糖类,不经过C5。6.硝化细菌可将环境中的NH3氧化释放的能量转移到有机物中。( )
【写·练表达】1.(必修1 P102“思考·讨论”拓展)鲁宾、卡门实验中,不能对同一实验中的CO2和H2O同时进行标记,因为_________________________________________。2.(必修1 P103“图5-14”延伸)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续,但无法长时间正常进行,原因是:暗反应中C3还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照后________________________________________________________________________。
若同时标记CO2和H2O,则无法分辨氧气的来源
光反应停止,暗反应将ATP和NADPH消耗尽后,因缺少ATP和NADPH而无法
【精研·破疑难】【命题研究】【典例】(2024·邢台五岳联考)气孔保卫细胞的细胞膜中存在一种特殊的K+转运蛋白BLINK1,在光照信号的诱导下,BLINK1可以促进K+进入保卫细胞,从而使气孔打开,实现对气孔的调控,过程如图所示。下列分析正确的是( )A.BLINK1既有运输作用又有催化作用B.光照越强,进入保卫细胞的K+越多,气孔开度越大C.气孔打开,短时间内会引起C3还原减少、含量增加D.调节过程会使气孔关闭,CO2吸收困难,不利于植物生命活动的正常进行聚焦考查点:气孔变化与光合作用。
【解析】选A。K+在细胞内的浓度高于细胞外的浓度,所以K+进入细胞的运输方式是主动运输,需要消耗能量,一种特殊的K+转运蛋白(BLINK1),可以促进K+进入保卫细胞,由此推测BLINK1可以运输K+及催化ATP水解提供能量,A正确;在一定范围内,光照越强,进入保卫细胞的K+越多,气孔开度越大,若超出该范围,光照越强,进入保卫细胞的 K+可能减少,气孔开度可能减小,B错误;气孔打开,短时间内会引起固定的CO2增多,而C3的还原不受影响,所以 C3的含量增加,C错误;该调节过程可以调控气孔的开启与关闭,有利于植物适应不同环境,有利于植物生命活动的正常进行,D错误。
【破解策略】分析环境改变时光合作用各物质变化的方法(1)“过程法”分析各物质变化:下图中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等物质含量变化:结论:C3和C5变化趋势始终相反,C5和NADPH、ATP变化趋势始终相同。
高考警示钟 光合作用过程的两个“不是”(1)叶绿体不是进行光合作用的必要条件:能进行光合作用的生物不一定含有叶绿体,如蓝细菌(只要有与光合作用有关的色素和酶,在条件适宜时即可进行光合作用)。(2)为暗反应提供能量的物质不是只有ATP:ATP和NADPH均可为暗反应提供能量。
【解析】选D。恩格尔曼的实验通过观察需氧细菌在水绵表面的分布,直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧,A正确;鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法,用18O分别标记两组实验中的H2O和CO2,证明光合作用产生的O2中的O全部来自H2O,B正确;希尔在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可释放氧气,说明离体叶绿体在适当条件下能进行水的光解,阿尔农发现光合作用中叶绿体合成ATP总是与水的光解相伴随,但是不能证明植物光合作用可以合成ATP,因而发现ATP和NADPH的形成发生在光反应过程中,场所为叶绿体类囊体的薄膜上,C正确;卡尔文采用 14C 标记 CO2 ,供小球藻利用,探明了二氧化碳中的碳是如何转化为有机物中的碳的,即从 CO2 → C3 →有机物,D错误。
2.(多选)(2024·张家口模拟)铁氰化钾试剂不能透过叶绿体膜,研究者将涨破的叶绿体置于不含CO2的铁氰化钾溶液中,在光下释放O2,同时黄色的铁氰化钾因被还原而褪色。下列叙述正确的是( )A.光反应释放O2的过程发生在叶绿体基质中B.实验模拟了光反应中CO2→O2的变化过程C.推测黄色铁氰化钾褪色是由于NADPH的还原作用D.该实验只体现了水的光解,没有体现糖的合成
【解析】选C、D。释放O2的过程属于光反应,光反应的场所在类囊体薄膜上,A错误;该实验模拟了光反应的物质变化过程,产生具有还原性的NADPH,还原黄色的铁氰化钾,B错误;黄色的铁氰化钾因被还原而褪色,NADPH具有还原作用,推测黄色铁氰化钾褪色是由于NADPH的还原作用,C正确;该实验只体现了水的光解,没有体现糖的合成,D正确。
【从教材走向高考】3.(必修1 P101拓展应用T2改编)植物工厂会在人工精密控制光照、温度、湿度、CO2浓度和营养液成分等条件下,生产蔬菜和其他植物。为提高植物工厂的产量,某科研团队研究不同红、蓝光配比和光强对生菜叶片光合能力的影响。实验结果如图甲、乙所示。注:B表示蓝光,R表示红光;R/B表示红、蓝光按一定的配比同时照射;各处理组的光照强度为图甲200 klx、图乙400 klx。
(1)植物工厂的塑料大棚常选用__________色塑料薄膜,所以生菜光合速率高。根据实验结果,该植物工厂水培生产生菜时,应配置__________________(填写颜色和配比)的LED灯,理由是_____________________________________________________________________________。 (2)依据图甲和图乙,分析不同红、蓝光配比和光强对生菜叶片光合能力的影响:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(至少写出两点)。 (3)除红、蓝光配比和光强外,植物工厂在光照方面还可以采取什么措施提高生菜的产量?______________________________________(写出一点)。
在光照强度为200 klx或400 klx时,均是红、蓝光
配比为1时生菜的光合速率最大
除B处理组外,生菜叶片的光合速率随着R/B值的减小而增大;B处理组下生菜叶片的光
合速率略低于R/B=1处理组;不同光强下R/B处理组对生菜叶片光合速率影响的变化趋
势一致,但提高光照强度显著增强了生菜叶片的光合速率
控制适宜的光照时间或强弱光照交替照射
【解析】(1)无色或白色塑料薄膜允许各色光透过,因此生菜光合速率高。依据题图可知,在光照强度为200 klx或400 klx时,均是红、蓝光配比为1时生菜的光合速率最大,因此要配置红、蓝光配比为1的LED灯。(2)由题图甲、乙分析,可得出以下几点:除B处理组外,生菜叶片的光合速率随着R/B值的减小而增大;B处理组下生菜叶片的光合速率略低于R/B=1处理组;不同光强下R/B处理对生菜叶片光合速率影响的变化趋势一致,但提高光照强度显著增强了生菜叶片的光合速率。(3)影响植物光合作用的因素有光照强度、光照时间、光质、温度等,因此可通过控制适宜的光照强度、控制适宜的光照时间、控制红蓝光适宜的比例、强弱光照的交替来提高光合产物量,进而实现增产。
【加固训练】(2023·临沂模拟)拟南芥的叶肉细胞中,含有的 PSⅡ和 PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物,具有吸收、传递、转化光能的作用。下列叙述不正确的是( )A.PSⅡ中的色素吸收光能后,可将 H2O 分解为 O2和 H+,并产生电子传递给 PSⅠ用于NADP+和 H+结合形成 NADPHB.图示结构上发生的能量转换是:光能→活跃的化学能C.在ATP 合成酶的作用下,H+顺浓度梯度转运提供分子势能,促进ADP 和 Pi 合成ATPD.自然界中能发生光合作用的生物,不一定具备 PSⅡ和 PSⅠ
【解析】选B。图中显示,PSⅡ中的色素吸收光能后,可将H2O 分解为O2、H+和电子,产生的电子传递给PSⅠ用于NADP+和H+结合形成NADPH,A正确;光反应过程实现了由光能转换为电能,再由电能转化为ATP和NADPH中活跃化学能,而暗反应过程又将活跃化学能转化为稳定的化学能,B错误;H+顺浓度梯度转运出类囊体,该过程可提供分子势能,在ATP合成酶的作用下,促进ADP和Pi合成ATP,C正确;由题图可知PSⅡ和PSⅠ都分布在叶绿体类囊体薄膜上,自然界中能发生光合作用的生物,不一定有叶绿体类囊体膜,因此不一定具备PSⅡ和PSⅠ,如蓝细菌,但一定具有光合色素,D 正确。
【感悟高考】1.(2023·全国乙卷)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述,错误的是( )A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢
【解析】选D。本题考查叶绿体中的色素的元素组成、分布、功能和提取的相关知识。氮元素和镁元素是构成叶绿素的重要元素,A正确;叶绿体中的光合色素均分布在叶绿体类囊体的薄膜上,B正确;由于类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰,C正确;叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸条上的扩散速度越快,D错误。
2.(2022·湖北选择考)某植物的2种黄叶突变体表型相似,测定各类植株叶片的光合色素含量(单位:μg·g-1),结果如表。下列有关叙述正确的是( )A.两种突变体的出现增加了物种多样性B.突变体2比突变体1吸收红光的能力更强C.两种突变体的光合色素含量差异,是由不同基因的突变所致D.叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降可导致突变体的叶片呈黄色
【解析】选D。两种突变体应该是同一物种,并没有增加物种多样性,A错误;由表格可知,突变体2的叶绿素含量明显小于突变体1,因此吸收红光的能力不如突变体1,B错误;两种突变体的光合色素含量差异,是由相同基因发生不同方向的突变所致,C错误;叶绿素显绿色,类胡萝卜素显黄色,叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降可导致突变体的叶片呈黄色,D正确。
3.(2022·河北选择考)某品种茶树叶片呈现阶段性白化:绿色的嫩叶在生长过程中逐渐转为乳白色,而后又恢复为绿色。白化期叶绿体内部结构解体(仅残留少量片层结构)。阶段性白化过程中相关生理指标检测结果如图。
回答下列问题:(1)从叶片中分离叶绿体可采用__________法。 (2)经检测,白化过程中叶绿体合成ATP和NADPH的数量显著降低,其原因是______________________________________________________________(写出两点即可)。(3)白化过程中气孔导度下降,既能够满足光合作用对CO2的需求,又有助于减少____________。 (4)叶片复绿过程中需合成大量直接参与光反应的蛋白质。其中部分蛋白质由存在于________中的基因编码,通过特定的机制完成跨膜运输;其余蛋白质由存在于________中的基因编码。
叶绿体内部结构解体,仅残留少量片层结构;叶绿体内的光合色素减少
【解析】(1)从叶片的叶肉细胞中分离叶绿体可采用差速离心法。(2)叶绿体中光合色素吸收的光能将水分解为O2和H+,O2直接释放出去,H+与氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)结合,形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH),并在有关酶的催化作用下,提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。ATP和NADPH的数量与叶绿体的结构、光合色素含量和光照强度等有关,白化过程中叶绿体合成ATP和NADPH的数量显著降低,其原因可能是叶绿体结构解体,仅残留少量片层结构;叶绿体内的光合色素减少。(3)白化过程中气孔导度下降,既能够满足光合作用对CO2的需求,又有助于减少水分的散失。(4)植物细胞内能合成蛋白质的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体,叶片复绿过程中需合成大量直接参与光反应的蛋白质。其中部分蛋白质由存在于细胞核中的基因编码,通过特定的机制完成跨膜运输;其余蛋白质由存在于叶绿体中的基因编码。
【预测高考】锁定新情境:人造叶绿体研究 科学家成功研制了“人造叶绿体”,该研究从菠菜中分离出类囊体,与多种酶一起包裹在磷脂构成的油包水小液滴中,该系统在光照条件下实现了CO2的固定。“人造叶绿体”的结构及相关反应过程如下图所示,CETCH循环是一种新的二氧化碳—有机物化学循环。
基于核心素养的新考向:1.(结构与功能观)由图可推测“人造叶绿体”外膜由____层磷脂分子组成,且磷脂分子的“头部”在“人造叶绿体”的____(填“内”或“外”)侧。光照条件下,水在“人造叶绿体”的类囊体中被分解成______________。 2.(比较与分类)A物质与叶绿体中的____(填化合物)相似,不断地被消耗和合成,若突然停止CO2供应,短时间内A物质的量将______。 3.(归纳与演绎)研究发现,在乙醛酸还原成乙醇酸的反应过程中,“人造叶绿体”内NADPH含量降低,ATP的含量提高,由此推测乙醛酸还原和三碳酸还原的不同之处可能是_____________________________________。 4.(设计实验)若要研究CO2参与CETCH循环时碳的去向,实验思路是________________________________________________________________。
乙醛酸的还原只需消耗NADPH,不消耗ATP
对CO2中的碳元素进行
14C标记,研究含有放射性的物质及其出现的位置
考点一 捕获光能的色素和结构
【精梳·攻教材】一、绿叶中色素的提取和分离1.实验原理:
二、叶绿体中色素的吸收光谱
【名师点睛】 藻类的显色原理海洋中的藻类有绿藻、褐藻和红藻,这与其吸收的光的波长有关,不同颜色的藻类吸收不同波长的光,藻类本身的颜色是它们“反射”的光。
三、叶绿体的结构适合于进行光合作用
【辨·清易错】 1.在叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。( )分析:叶绿体中叶黄素和胡萝卜素吸收的光能也能用于光合作用。2.绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,所以用无水乙醇分离绿叶中的色素。( )分析:因色素易溶于有机溶剂,所以无水乙醇在色素的提取和分离实验中起到提取色素的作用。3.制备滤纸条时将滤纸条剪去两角的目的是使色素在滤纸条上扩散时均匀整齐。( )4.层析时试管口加棉塞的目的是防止层析液挥发。( ) 5.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同。( )6.绿叶中含量越多的色素,其在滤纸条上扩散得越快。( )分析:溶解度高的色素随层析液在滤纸条上扩散得快。
【写·练表达】1.(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里不用发绿光的光源,原因是__________________________。2.(必修1 P100 “思考·讨论”延伸)在恩格尔曼的第二个实验中,若将透过三棱镜的光先通过叶绿体色素提取液,再照射到载有水绵和需氧细菌的临时装片上,一段时间后,需氧细菌分布的特点是____________,原因是______________________________________________________________________________。
主要吸收红光和蓝紫光,导致水绵不同部位的光合作用强度相差不大
【精练·提能力】1.(2024·保定模拟)下列关于绿叶中色素的提取和分离实验的分析,正确的是( )A.无水乙醇和层析液分别用于分离色素、提取色素B.CaCO3和SiO2均有利于防止色素分子被酸破坏C.画滤液细线要细、匀,画线后应立即重复画线1次D.在滤纸条上扩散速度最快的色素主要吸收蓝紫光【解析】选D。无水乙醇用于提取色素,而层析液用于分离色素,A错误;CaCO3有利于防止色素分子被酸破坏,SiO2有利于研磨充分,B错误;画滤液细线要细、匀,待滤液细线干燥后,再重复画线1～2次,C错误;滤纸条上扩散最快的色素是胡萝卜素,其主要吸收蓝紫光,D正确。
提升·关键能力——实验原理和结果分析“绿叶中色素的提取和分离”实验中的异常现象分析
2.(多选)(2023·深圳模拟)某研究小组用四种不同的方法对欧李叶片中的光合色素进行提取,实验结果如图所示。下列分析正确的是( )A.研磨法提取时使用碳酸钙可以防止色素被破坏B.不同提取剂的提取效果会受到提取方法的影响C.丙酮和乙醇的混合液提取光合色素的效果最佳D.四种提取色素的方法都涉及细胞膜结构的破坏
【解析】选A、B、D。碳酸钙可以中和有机酸,防止色素被破坏,A正确;不同提取剂对于光合色素的提取量不同,所以提取效果会受到提取方法的影响,B正确;根据图表可知丙酮和乙醇的混合液提取光合色素的量在干样浸提法中较少,所以其效果不算最佳,C错误;色素位于细胞内,想提取色素必须破坏细胞膜结构,所以四种提取色素的方法都涉及细胞膜结构的破坏,D正确。
3.(2023·兰州模拟)下列关于叶绿体的叙述,正确的是 ( )A.叶绿体的外膜、内膜极大地扩展了受光面积B.类囊体薄膜中的酶可催化CO2的固定和还原C.类囊体薄膜上的光合色素都可以吸收蓝紫光D.叶绿体基质中NADP+能形成NADPH【解析】选C。叶绿体中增大受光面积的是类囊体膜,A错误;CO2分子的固定和还原属于暗反应,发生在叶绿体基质中,相关酶分布在叶绿体基质中,B错误;类囊体膜上的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,因此类囊体薄膜上的光合色素都可以吸收蓝紫光,C正确;NADP+形成NADPH发生在光反应过程中,场所是叶绿体的类囊体膜,D错误。
【加固训练】1.(2024·信阳模拟)为研究高光照强度对移栽幼苗光合色素的影响,某同学用无水乙醇提取叶绿体色素,用层析液进行纸层析,如图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列叙述正确的是( )A.高光照强度导致该植物胡萝卜素的含量降低B.叶绿素含量增加有利于该植物抵御高光照强度C.色素Ⅲ、Ⅳ吸收光谱的吸收峰波长有差异D.画滤液细线时,滤液在点样线上只能画一次
【解析】选C。Ⅰ为胡萝卜素,Ⅱ为叶黄素,Ⅲ为叶绿素a,Ⅳ为叶绿素b,由图可知,高光照强度导致该植物胡萝卜素的含量升高,A错误;据图可知,与正常光照强度相比,高光照强度叶绿素含量降低,说明叶绿素含量降低有利于该植物抵御高光照强度,B错误;Ⅲ为叶绿素a,Ⅳ为叶绿素b,吸收光谱的吸收峰波长有差异,C正确;画滤液细线时,滤液在点样线上需要重复画几次,D错误。
2.如图为正常绿叶的叶绿素 a的吸收光谱、色素总吸收光谱以及光合作用的作用光谱(作用光谱代表不同波长下植物的光合作用效率)。由图中信息分析,下列叙述错误的是( )A.色素的吸收光谱可以通过测量对不同波长光的吸收值来绘制,作用光谱可以通过测量不同波长相应的O2释放量来绘制B.总吸收光谱与叶绿素 a吸收光谱曲线不吻合,说明绿叶中还含有其他吸收光能的色素C.总吸收光谱与作用光谱表现出高度一致性,说明绿叶中色素吸收的光能几乎都能用于光合作用D.总吸收光谱与作用光谱在 450～500 nm波长处出现较大差异,说明其他色素对能量的转换效率比叶绿素对能量的转换效率高
【解析】选D。色素的吸收光谱可以通过测量对不同波长光的吸收值来绘制;作用光谱代表各种波长下植物的光合作用效率,可以通过测量不同波长相应的O2释放量来绘制,A正确。总吸收光谱与叶绿素a吸收光谱曲线不吻合,说明绿叶中除了叶绿素a,还含有其他色素也能吸收光能,B正确。总吸收光谱与作用光谱表现出高度一致性,说明绿叶中色素吸收的光能几乎都能用于光合作用,C正确。绿叶中的类胡萝卜素主要吸收450～500 nm波长的光(蓝紫光),在可见光的其他波段,总吸收光谱与作用光谱几乎完全重叠,说明叶绿素吸收的光能几乎全部用于光合作用;450～500 nm波长处出现较大差异,说明类胡萝卜素吸收的光能有一部分不能转化成光合作用的能量,叶绿素比其他色素对能量的转换效率高,D错误。
【方法规律】巧记色素吸收光谱图中的“三、二、一”(1)“三”指三条曲线:分别代表叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素吸收的光谱曲线。(2)“二”指叶绿素a、b及两个吸收区域:叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,其中叶绿素a的吸收光谱范围比叶绿素b的更宽。(3)“一”指类胡萝卜素及一个吸收区域:类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素,主要吸收蓝紫光。
考点二 光合作用的原理
【精梳·攻教材】一、光合作用的探究历程
二、光合作用的过程1.过程图解:2.光反应与暗反应的比较:
【名师点睛】 光合作用两点提醒(1)光反应中的电子传递: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。(2)光反应与暗反应的联系:光反应为暗反应提供ATP和NADPH,暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+;没有光反应,暗反应无法进行,没有暗反应,有机物无法合成,也会抑制光反应。
三、光合作用的概念和反应式1.光合作用的概念:绿色植物通过叶绿体,利用______,将二氧化碳和水转化成储存着能量的________,并且释放出______的过程。2.反应式(箭头表示元素的去向):
【辨·清易错】1.鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物是淀粉。( )分析:鲁宾和卡门用同位素示踪法证明了光合作用的产物——氧气中的氧来自水。2.植物细胞产生的O2只能来自光合作用。( )分析:植物细胞中H2O2分解也能产生O2。3.颤蓝细菌也能进行光合作用制造有机物。( )4.光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜。( )分析:ATP移动方向是从类囊体薄膜到叶绿体基质。5.在光合作用中C从CO2开始先后经C3、C5最后形成糖类。( )分析:在光合作用中C元素从CO2经C3形成糖类,不经过C5。6.硝化细菌可将环境中的NH3氧化释放的能量转移到有机物中。( )
【写·练表达】1.(必修1 P102“思考·讨论”拓展)鲁宾、卡门实验中,不能对同一实验中的CO2和H2O同时进行标记,因为_________________________________________。2.(必修1 P103“图5-14”延伸)光照停止后暗反应短时间仍然能够持续,但无法长时间正常进行,原因是:暗反应中C3还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照后________________________________________________________________________。
若同时标记CO2和H2O,则无法分辨氧气的来源
光反应停止,暗反应将ATP和NADPH消耗尽后,因缺少ATP和NADPH而无法
【精研·破疑难】【命题研究】【典例】(2024·邢台五岳联考)气孔保卫细胞的细胞膜中存在一种特殊的K+转运蛋白BLINK1,在光照信号的诱导下,BLINK1可以促进K+进入保卫细胞,从而使气孔打开,实现对气孔的调控,过程如图所示。下列分析正确的是( )A.BLINK1既有运输作用又有催化作用B.光照越强,进入保卫细胞的K+越多,气孔开度越大C.气孔打开,短时间内会引起C3还原减少、含量增加D.调节过程会使气孔关闭,CO2吸收困难,不利于植物生命活动的正常进行聚焦考查点:气孔变化与光合作用。
【解析】选A。K+在细胞内的浓度高于细胞外的浓度,所以K+进入细胞的运输方式是主动运输,需要消耗能量,一种特殊的K+转运蛋白(BLINK1),可以促进K+进入保卫细胞,由此推测BLINK1可以运输K+及催化ATP水解提供能量,A正确;在一定范围内,光照越强,进入保卫细胞的K+越多,气孔开度越大,若超出该范围,光照越强,进入保卫细胞的 K+可能减少,气孔开度可能减小,B错误;气孔打开,短时间内会引起固定的CO2增多,而C3的还原不受影响,所以 C3的含量增加,C错误;该调节过程可以调控气孔的开启与关闭,有利于植物适应不同环境,有利于植物生命活动的正常进行,D错误。
【破解策略】分析环境改变时光合作用各物质变化的方法(1)“过程法”分析各物质变化:下图中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等物质含量变化:结论:C3和C5变化趋势始终相反,C5和NADPH、ATP变化趋势始终相同。
高考警示钟 光合作用过程的两个“不是”(1)叶绿体不是进行光合作用的必要条件:能进行光合作用的生物不一定含有叶绿体,如蓝细菌(只要有与光合作用有关的色素和酶,在条件适宜时即可进行光合作用)。(2)为暗反应提供能量的物质不是只有ATP:ATP和NADPH均可为暗反应提供能量。
【解析】选D。恩格尔曼的实验通过观察需氧细菌在水绵表面的分布,直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧,A正确;鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法,用18O分别标记两组实验中的H2O和CO2,证明光合作用产生的O2中的O全部来自H2O,B正确;希尔在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可释放氧气,说明离体叶绿体在适当条件下能进行水的光解,阿尔农发现光合作用中叶绿体合成ATP总是与水的光解相伴随,但是不能证明植物光合作用可以合成ATP,因而发现ATP和NADPH的形成发生在光反应过程中,场所为叶绿体类囊体的薄膜上,C正确;卡尔文采用 14C 标记 CO2 ,供小球藻利用,探明了二氧化碳中的碳是如何转化为有机物中的碳的,即从 CO2 → C3 →有机物,D错误。
2.(多选)(2024·张家口模拟)铁氰化钾试剂不能透过叶绿体膜,研究者将涨破的叶绿体置于不含CO2的铁氰化钾溶液中,在光下释放O2,同时黄色的铁氰化钾因被还原而褪色。下列叙述正确的是( )A.光反应释放O2的过程发生在叶绿体基质中B.实验模拟了光反应中CO2→O2的变化过程C.推测黄色铁氰化钾褪色是由于NADPH的还原作用D.该实验只体现了水的光解,没有体现糖的合成
【解析】选C、D。释放O2的过程属于光反应,光反应的场所在类囊体薄膜上,A错误;该实验模拟了光反应的物质变化过程,产生具有还原性的NADPH,还原黄色的铁氰化钾,B错误;黄色的铁氰化钾因被还原而褪色,NADPH具有还原作用,推测黄色铁氰化钾褪色是由于NADPH的还原作用,C正确;该实验只体现了水的光解,没有体现糖的合成,D正确。
【从教材走向高考】3.(必修1 P101拓展应用T2改编)植物工厂会在人工精密控制光照、温度、湿度、CO2浓度和营养液成分等条件下,生产蔬菜和其他植物。为提高植物工厂的产量,某科研团队研究不同红、蓝光配比和光强对生菜叶片光合能力的影响。实验结果如图甲、乙所示。注:B表示蓝光,R表示红光;R/B表示红、蓝光按一定的配比同时照射;各处理组的光照强度为图甲200 klx、图乙400 klx。
(1)植物工厂的塑料大棚常选用__________色塑料薄膜,所以生菜光合速率高。根据实验结果,该植物工厂水培生产生菜时,应配置__________________(填写颜色和配比)的LED灯,理由是_____________________________________________________________________________。 (2)依据图甲和图乙,分析不同红、蓝光配比和光强对生菜叶片光合能力的影响:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(至少写出两点)。 (3)除红、蓝光配比和光强外,植物工厂在光照方面还可以采取什么措施提高生菜的产量?______________________________________(写出一点)。
在光照强度为200 klx或400 klx时,均是红、蓝光
配比为1时生菜的光合速率最大
除B处理组外,生菜叶片的光合速率随着R/B值的减小而增大;B处理组下生菜叶片的光
合速率略低于R/B=1处理组;不同光强下R/B处理组对生菜叶片光合速率影响的变化趋
势一致,但提高光照强度显著增强了生菜叶片的光合速率
控制适宜的光照时间或强弱光照交替照射
【解析】(1)无色或白色塑料薄膜允许各色光透过,因此生菜光合速率高。依据题图可知,在光照强度为200 klx或400 klx时,均是红、蓝光配比为1时生菜的光合速率最大,因此要配置红、蓝光配比为1的LED灯。(2)由题图甲、乙分析,可得出以下几点:除B处理组外,生菜叶片的光合速率随着R/B值的减小而增大;B处理组下生菜叶片的光合速率略低于R/B=1处理组;不同光强下R/B处理对生菜叶片光合速率影响的变化趋势一致,但提高光照强度显著增强了生菜叶片的光合速率。(3)影响植物光合作用的因素有光照强度、光照时间、光质、温度等,因此可通过控制适宜的光照强度、控制适宜的光照时间、控制红蓝光适宜的比例、强弱光照的交替来提高光合产物量,进而实现增产。
【加固训练】(2023·临沂模拟)拟南芥的叶肉细胞中,含有的 PSⅡ和 PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物,具有吸收、传递、转化光能的作用。下列叙述不正确的是( )A.PSⅡ中的色素吸收光能后,可将 H2O 分解为 O2和 H+,并产生电子传递给 PSⅠ用于NADP+和 H+结合形成 NADPHB.图示结构上发生的能量转换是:光能→活跃的化学能C.在ATP 合成酶的作用下,H+顺浓度梯度转运提供分子势能,促进ADP 和 Pi 合成ATPD.自然界中能发生光合作用的生物,不一定具备 PSⅡ和 PSⅠ
【解析】选B。图中显示,PSⅡ中的色素吸收光能后,可将H2O 分解为O2、H+和电子,产生的电子传递给PSⅠ用于NADP+和H+结合形成NADPH,A正确;光反应过程实现了由光能转换为电能,再由电能转化为ATP和NADPH中活跃化学能,而暗反应过程又将活跃化学能转化为稳定的化学能,B错误;H+顺浓度梯度转运出类囊体,该过程可提供分子势能,在ATP合成酶的作用下,促进ADP和Pi合成ATP,C正确;由题图可知PSⅡ和PSⅠ都分布在叶绿体类囊体薄膜上,自然界中能发生光合作用的生物,不一定有叶绿体类囊体膜,因此不一定具备PSⅡ和PSⅠ,如蓝细菌,但一定具有光合色素,D 正确。
【感悟高考】1.(2023·全国乙卷)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述,错误的是( )A.氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素B.叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上C.用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰D.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢
【解析】选D。本题考查叶绿体中的色素的元素组成、分布、功能和提取的相关知识。氮元素和镁元素是构成叶绿素的重要元素,A正确;叶绿体中的光合色素均分布在叶绿体类囊体的薄膜上,B正确;由于类胡萝卜素主要吸收蓝紫光,所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液,其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰,C正确;叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸条上的扩散速度越快,D错误。
2.(2022·湖北选择考)某植物的2种黄叶突变体表型相似,测定各类植株叶片的光合色素含量(单位:μg·g-1),结果如表。下列有关叙述正确的是( )A.两种突变体的出现增加了物种多样性B.突变体2比突变体1吸收红光的能力更强C.两种突变体的光合色素含量差异,是由不同基因的突变所致D.叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降可导致突变体的叶片呈黄色
【解析】选D。两种突变体应该是同一物种,并没有增加物种多样性,A错误;由表格可知,突变体2的叶绿素含量明显小于突变体1,因此吸收红光的能力不如突变体1,B错误;两种突变体的光合色素含量差异,是由相同基因发生不同方向的突变所致,C错误;叶绿素显绿色,类胡萝卜素显黄色,叶绿素与类胡萝卜素的比值大幅下降可导致突变体的叶片呈黄色,D正确。
3.(2022·河北选择考)某品种茶树叶片呈现阶段性白化:绿色的嫩叶在生长过程中逐渐转为乳白色,而后又恢复为绿色。白化期叶绿体内部结构解体(仅残留少量片层结构)。阶段性白化过程中相关生理指标检测结果如图。
回答下列问题:(1)从叶片中分离叶绿体可采用__________法。 (2)经检测,白化过程中叶绿体合成ATP和NADPH的数量显著降低,其原因是______________________________________________________________(写出两点即可)。(3)白化过程中气孔导度下降,既能够满足光合作用对CO2的需求,又有助于减少____________。 (4)叶片复绿过程中需合成大量直接参与光反应的蛋白质。其中部分蛋白质由存在于________中的基因编码,通过特定的机制完成跨膜运输;其余蛋白质由存在于________中的基因编码。
叶绿体内部结构解体,仅残留少量片层结构;叶绿体内的光合色素减少
【解析】(1)从叶片的叶肉细胞中分离叶绿体可采用差速离心法。(2)叶绿体中光合色素吸收的光能将水分解为O2和H+,O2直接释放出去,H+与氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)结合,形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH),并在有关酶的催化作用下,提供能量促使ADP与Pi反应形成ATP。ATP和NADPH的数量与叶绿体的结构、光合色素含量和光照强度等有关,白化过程中叶绿体合成ATP和NADPH的数量显著降低,其原因可能是叶绿体结构解体,仅残留少量片层结构;叶绿体内的光合色素减少。(3)白化过程中气孔导度下降,既能够满足光合作用对CO2的需求,又有助于减少水分的散失。(4)植物细胞内能合成蛋白质的场所有细胞质基质、线粒体、叶绿体,叶片复绿过程中需合成大量直接参与光反应的蛋白质。其中部分蛋白质由存在于细胞核中的基因编码,通过特定的机制完成跨膜运输;其余蛋白质由存在于叶绿体中的基因编码。
【预测高考】锁定新情境:人造叶绿体研究 科学家成功研制了“人造叶绿体”,该研究从菠菜中分离出类囊体,与多种酶一起包裹在磷脂构成的油包水小液滴中,该系统在光照条件下实现了CO2的固定。“人造叶绿体”的结构及相关反应过程如下图所示,CETCH循环是一种新的二氧化碳—有机物化学循环。
基于核心素养的新考向:1.(结构与功能观)由图可推测“人造叶绿体”外膜由____层磷脂分子组成,且磷脂分子的“头部”在“人造叶绿体”的____(填“内”或“外”)侧。光照条件下,水在“人造叶绿体”的类囊体中被分解成______________。 2.(比较与分类)A物质与叶绿体中的____(填化合物)相似,不断地被消耗和合成,若突然停止CO2供应,短时间内A物质的量将______。 3.(归纳与演绎)研究发现,在乙醛酸还原成乙醇酸的反应过程中,“人造叶绿体”内NADPH含量降低,ATP的含量提高,由此推测乙醛酸还原和三碳酸还原的不同之处可能是_____________________________________。 4.(设计实验)若要研究CO2参与CETCH循环时碳的去向,实验思路是________________________________________________________________。
乙醛酸的还原只需消耗NADPH,不消耗ATP
对CO2中的碳元素进行
14C标记,研究含有放射性的物质及其出现的位置
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