04 第4讲 光合作用与呼吸综合计算-备战2022年高考生物二轮复习三板斧之三——生物计算

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必会知识 考点梳理拓展延伸易错警示
必会知识一 光合作用和有氧呼吸的区别和联系
1．光合作用和有氧呼吸的区别
2．光合作用与有氧呼吸的联系
(1)物质方面
C：CO2eq \(――→,\s\up8(暗反应))C6H12O6eq \(――→,\s\up11(有氧呼吸),\s\d8(第一阶段)) C3H4O3 eq \(――→,\s\up11(有氧呼吸),\s\d8(第二阶段))CO2
O：H2Oeq \(――→,\s\up8(光反应))O2eq \(――→,\s\up11(有氧呼吸),\s\d8(第三阶段))H2O
H：H2Oeq \(――→,\s\up8(光反应))[H]eq \(――→,\s\up8(暗反应))C6H12O6eq \(――→,\s\up8(有氧呼吸),\s\d8(第一、二阶段))[H]eq \(――→,\s\up8(有氧呼吸),\s\d8(第三阶段))H2O
(2)能量方面
光能eq \(――→,\s\up8(光反应))ATP中活跃化学能eq \(――→,\s\up8(暗反应))(CH2O)中稳定的化学能eq \(――→,\s\up8(细胞呼吸))eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1( 热能, ATP中活跃化学能))
(3)气体交换模式图分析

3．光合作用与有氧呼吸过程中[H]和ATP的来源与去路
必会知识二 确认生物的呼吸类型
1．欲确认某生物的呼吸类型，应设置两套呼吸装置，如图所示(以发芽种子为例)：
(1)实验装置：
装置甲中NaOH溶液的作用是吸收呼吸所产生的CO2，红色液滴移动的距离代表种子呼吸吸收的O2量。装置乙中红色液滴移动的距离代表种子呼吸吸收的O2量与产生的CO2量的差值。
(2)实验分析：
为防止微生物呼吸对实验结果的干扰，应将装置进行灭菌，所测种子进行消毒处理。
对照组的设置：为防止气压、温度等物理因素(或非生物因素)所引起的误差，应设置对照实验，将所测定的生物灭活(将种子煮熟)，其他条件均不变。
若选用绿色植物作实验材料，测定细胞呼吸速率，需将整个装置进行遮光处理，否则植物的光合作用会干扰呼吸速率的测定。
分析种子在黑暗条件下萌发，引起干重增加的主要元素是(C、N、O)中的哪一种？
答：对于绝大多数种子来说，萌发过程中，由于细胞呼吸消耗有机物会使干重减少，但对于含脂肪较多的油料种子来说，由于脂肪在氧化过程消耗较多的氧气，干重反而会上升。培养条件为黑暗(不能进行光合作用，不能吸收CO2，即干重增加的主要元素不会是C)、蒸馏水(没有N等矿质元素，不考虑生物固氮的话，干重增加的主要元素不会是N)。种子萌发过程有明显的吸水，应是水中的O。理由是吸收的水参与种子中物质代谢以及成为结合水等，导致种子干重增加。特别是胚乳(或子叶)中脂肪转化为幼苗中糖等亲水物质，会使细胞中结合水增加。
必会知识三 光合作用与呼吸作用的测定
1．绿色植物每时每刻都在进行细胞呼吸，在光下测定植物的光合作用时，实际测得的数值应为光合作用与呼吸作用的差值，即真正或实际或总光合速率＝测得(净)光合速率＋呼吸速率。
(1)气体体积变化法——测光合作用O2产生(或CO2消耗)的体积
①装置中溶液的作用：在测细胞呼吸速率时NaOH溶液可吸收容器中的CO2；在测净光合速率时NaHCO3溶液可提供CO2，保证了容器内CO2浓度的恒定。
②测定原理
甲装置在黑暗条件下植物只进行细胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。
乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。
③测定方法
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。
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。
根据呼吸速率和净光合速率可计算得到真正光合速率。
④物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。
2．以有机物变化量为测量指标——半叶法
如图，可在同一片叶主脉两侧对称位置取等大的两部分A、B。若给B照光，A取下并放置在与B温度、湿度等条件相同，但无光的环境中保存，一段时间后，与取下的B同时烘干、称重，质量差值与时间的比值表示真正的光合速率。假设最初A、B初始质量为X g，实验处理t时间后A、B称重分别为WA、WB，则(X－WA)表示呼吸消耗量，(WB－X)表示净光合量，真正光合量＝(WB－X)＋(X－WA)，真正光合速率＝(WB－WA)/t。若先将A取下烘干称重，B照光一段时间后再取下烘干称重，则质量差值与时间比值表示净光合速率[A、B初始干重相等，故(WB－WA)表示有机物积累量]。
3．“黑白瓶”——测透光、不透光两瓶中氧气的剩余量
“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。“黑白瓶”试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。一般规律如下：
①总光合作用量(强度)=净光合作用量(强度)+有氧呼吸消耗量(强度)。
②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。
③没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量-黑瓶中测得的现有量=总光合作用量。
必备技能 典例精讲模型秒杀巧思妙解
必备技能一 确认生物的呼吸类型
[例1]在如图3个密闭装置中，分别放入质量相等的三份种子：消毒且刚萌发的小麦种子、未消毒刚萌发的小麦种子及未消毒刚萌发的花生种子。把三套装置放在隔热且适宜条件下培养，下列有关叙述中错误的是( )
A．当A和B玻璃管中的水珠开始移动时，分别记录其移动速率VA和VB，则VA＜VB
B．如果A和C中都消耗了等质量的有机物，记录温度计读数为TA和TC，则TA>TC
C．如果B和C中都消耗了等质量的有机物，记录水珠移动距离hB和hC，则hB＜hC
D．如果B和C中都消耗了等质量的有机物，记录温度计读数为TB和TC，则TC>TB
[答案]B．[解析]A、B种子未消毒，在单位时间内，呼吸作用强度大于A，消耗的氧气多，同时两者呼吸作用产生的二氧化碳都被氢氧化钠吸收，所以B中消耗的氧气多，内外的压强差大，玻璃管中的水珠开始移动时的速率VA＜VB，A正确；小麦种子中主要是淀粉，花生种子中含油脂比较多，油脂分子中含氧元素比糖类(淀粉)少，其氧化分解时，需要的氧气比糖类(淀粉)氧化分解时多，产生的热量比糖类(淀粉)氧化分解时多。所以，如果A和C中都消耗了等质量的有机物，则C中消耗的氧气多，内外的压强差大，产生的热量多，因此TC＞TA，B错误；小麦种子中主要是淀粉，花生种子中含油脂比较多，油脂分子中含氧元素比糖类(淀粉)少，其氧化分解时，需要的氧气比糖类(淀粉)氧化分解时多，产生的热量比糖类(淀粉)氧化分解时多。所以，如果B和C中都消耗了等质量的有机物，则C中消耗的氧气多，内外的压强差大，则hB＜hC，C正确；小麦种子中主要是淀粉，花生种子中含油脂比较多，油脂分子中含氧元素比糖类(淀粉)少，其氧化分解时，需要的氧气比糖类(淀粉)氧化分解时多，产生的热量比糖类(淀粉)氧化分解时多。所以，如果B和C中都消耗了等质量的有机物，则C中消耗的氧气多，产生的热量多，因此TC＞TB，D正确。
[例2]在科学研究中常用呼吸熵(RQ=放出的二氧化碳的量/吸收的氧气的量)反映细胞呼吸的底物类型和呼吸方式。如图是测定某作物种子呼吸熵的装置，下列有关分析错误的是( )
A．当呼吸底物为葡萄糖时，若测得甲、乙装置红墨水滴向左移动的距离分别为200mm和0mm，则该种子的RQ=1
B．当呼吸底物为葡萄糖时，若将甲装置中的NaOH溶液换为CO2缓冲液(维持装置中CO2浓度不变)，则无法测定种子的RQ
C．若种子的RQ>1，则甲装置中红墨水滴左移，乙装置中红墨水滴右移
D．若种子的RQ1，则放出的CO2多余吸收的氧气，乙装置右移，甲装置氧气减少，左移，C正确；若种子的RQB，AB 当光照强度为100μml光子/(m2·s)，A植物的O2释放速率(净光合速率)与B植物的O2释放速率相等，但A植物的呼吸速率明显大于B植物，因此A植物的O2产生速率(真光合速率)大于B植物的O2产生速率(真光合速率)
[解析](1)根据上述分析过程可知，当植物叶肉细胞内光合作用强度小于呼吸作用强度时，呼吸作用产生的CO2量除满足叶绿体光合作用外，将剩余的CO2释放到外界环境中，而叶绿体产生的O2不足以满足线粒体的需求而从外界环境中吸收相应的O2，所以，图甲中可同时发生的过程有③④⑤⑥；当仅有过程⑤⑥发生时，说明该细胞没有光合作用仅发生细胞呼吸过程，根据有氧呼吸第三阶段的物质变化[H]与O2结合发生在线粒体内膜上。此处的[H]为NADH，而叶绿体内光反应产生的[H]为NADPH，所以二者不是同一物质。
(2)由题意知，甲组是自然光照，为对照组，乙组给予一定的遮光，乙组为实验组。根据该植物细胞呼吸放出的CO2量与消耗的O2量之比为0.8，若测得该细胞吸收的O2为20ml/h，则细胞释放的CO2为0.8×20=16mL/h。
(3)由表中数据可知，A植物的光补偿点(光合速率等呼吸速率即净光合速率=0)在50～100μml光子/(m2·s)之间，而B植物的光补偿点在10～25μml光子/(m2·s)之间，即A植物的光补偿点大于B植物的光补偿点，由此可判断A植物为阳生植物。另外，A植物的光饱和点大于B植物的光饱和点也可作此判断；植物O2产生速率为真光合速率，真光合速率=净光合速率+呼吸速率，由表中数据可知，A植物的呼吸速率(光照强度=0)大于B植物的呼吸速率，当光照强度为100μml光子/(m2·s)时，A植物的O2释放速率(净光合速率)与B植物的O2释放速率相等，但A植物的呼吸速率明显大于B植物，因此A植物的O2产生速率(真光合速率)大于B植物的O2产生速率(真光合速率)。
8．如图l为番茄叶肉细胞内物质代谢过程示意图， ①～⑥代表相关过程。图 2 是某科研小组利用密闭的透明玻璃小室探究番茄植株光合作用速率的装置。 请回答下列问题：
(1)图 1 过程①～⑥中， 能产生 ATP 的过程有_____________，其中③进行的场所是_____________， 表示光合作用的暗反应阶段的是 _____________(填序号)。
(2)将图 2 所示的装置放在自然环境下， 测定夏季一昼夜(零点开始) 小室内植物氧气释放速率的变化，得到如图 3 所示曲线。 观察装置中液滴的位置， c 点时刻的液滴位于起始位置的_________侧， 液滴移到最右点是在一天中的_____________点， e 点出现的低谷的原因是_________，从 d 点→e 点的过程中，叶肉细胞的叶绿体中 C3含量_____________。
(3)如果要测定该植物真正光合作用的速率， 应加一组实验， 设置与图 2 相同的装置，将该装置放于_________条件下， 测得该植物的________速率，其他条件均不变。
(4)在实验过程中，给该植物浇灌 H218O，发现叶肉细胞中出现了(CH18O)。 分析其最可能的转化途径是H 18O 参与有氧呼吸， 生成_________， 该产物再参与光合作用的________________过程生成有机物(CH18O)。
[答案](1)②③⑤⑥ 线粒体基质 ④① (2)左 18(g) 气孔关闭，CO2供应不足 减少 (2)遮光(黑暗) 呼吸 (4)二氧化碳(C18O2) 暗反应(碳反应或CO2的固定)
[解析](1)有氧呼吸的三个阶段都可以产生ATP，光合作用的光反应阶段也可以产生ATP，据图分析可知，②③⑤⑥可以产生ATP，不能产生的ATP的过程为④；③是有氧呼吸第二阶段，发生场所是线粒体基质；图中④是光合作用暗反应阶段二氧化碳的固定过程，①是光合作用三碳化合物还原过程，两者均属于暗反应过程。
(2)由曲线可知，c点的光合强度与呼吸强度相等，在此点之前，光合强度小于呼吸强度，小室内氧气浓度降低，液滴左移，故 c 点时刻的液滴位于起始位置的左侧；c点以后，光合作用大于呼吸作用，液滴逐渐向右移动，在18时(g点)移至最右点；e点表示中午作物出现午休现象，气温过高导致气孔关闭，CO2供应不足；从 d 点→e 点的过程中，叶肉细胞的叶绿体中光反应产生的ATP和NADPH不断增多，但气孔关闭，二氧化碳固定减弱，导致C3 的消耗速率加快，而来源速率减弱，含量不断减少。
(3)该装置测定的是该植物的净光合速率，如果要测定该植物真正光合作用的速率，应加一组与图2相同的装置，将该装置遮光处理， 测得该植物的呼吸速率，其他条件均不变。
(4)在实验过程中，给该植物浇灌H218O，H218O参与有氧呼吸第二阶段生成C18O2，C18O2再参与光合作用的暗反应过程(二氧化碳的固定)生成有机物(CH218O)。
光合作用
有氧呼吸
物质变化
无机物eq \(――→,\s\up15(合成))有机物
有机物eq \(――→,\s\up15(分解))无机物
能量变化
光能―→稳定的化学能(储能)
稳定的化学能―→ATP中活跃的化学能、热能(放能)
实质
合成有机物，储存能量
分解有机物、释放能量，供细胞利用
场所
叶绿体
活细胞(主要在线粒体)
条件
只在光下进行
有光、无光都能进行
项目
来源
去路
[H]
光合作用
光反应中水的光解
作为还原剂用于暗反应阶段中C3的还原
有氧呼吸
第一、二阶段产生
用于第三阶段还原O2产生H2O，同时释放出大量的能量
ATP
光合作用
光反应阶段合成ATP，所需能量来自色素吸收的太阳能
用于暗反应阶段C3的还原
有氧呼吸
第一、二、三阶段均能产生，第三阶段产生的能量最多。能量来自有机物的氧化分解
作为能量“通货”，用于各项生命活动
现象
结论
甲装置
乙装置
液滴左移
液滴不动
只进行有氧呼吸
液滴不动
液滴右移
只进行无氧呼吸
液滴左移
液滴右移
既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸
实验30分钟后红墨水滴移动情况
测定植物呼
吸作用强度
甲装置
(填“左”或“右”)移1.5 cm
乙装置
右移0.5 cm
测定植物净光
合作用强度
甲装置
(填“左”或“右”)移4.5 cm
乙装置
右移0.5 cm
光照强度(klx)
0
a
b
c
d
e
白瓶溶氧量(mg/L)
4
10
16
24
30
30
黑瓶溶氧量(mg/L)
4
4
4
4
4
4
水深
1 m
2 m
3 m
4 m
水底
瓶中O2的变化
(mg/L·24 h)
白瓶
+3
+2
0
-1
-3
黑瓶
-1
-1
-1
-1
-3
合速率，结果如图所示。下列分析错误的是( )
A．光照强度小于1klx时，植物甲就开始进行光合作用
B．当光照强度为5klx时，植物甲光合速率大于植物乙
C．若c点时突然停止CO2供应，短时间内植物甲叶绿体中的C5含量会减少
光照强度(μml光子/(m2·s))
0
10
25
50
100
250
500
600
氧气的释放速率
(μml O2 /(m2·s))
A
－16
－10
－5
－1
5
15
30
30
B
－4
－0.5
1.5
3
5
12
12
10