高中生物高考 2021届高三大题优练2 细胞代谢及其应用 学生版

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    例1：下图为某运动员剧烈运动时，肌肉收缩过程中部分能量代谢的示意图。据图回答下列问题：（1）由图可知，肌肉收缩最初的能量来自于细胞中的____________________，该物质的产生部位有____________________。（2）图中曲线B代表的细胞呼吸类型是____________________，判断依据是____________________，该反应产物是____________________。（3）足球运动员为提高运动能力，通常进行3到4周的高原训练，这种训练方式主要提高C的能力，原因是____________________。【答案】（1）（存量）ATP    细胞质基质和线粒体    （2）无氧呼吸    该过程可在较短时间内提供能量，是在呼吸的第一阶段产生的能量，但随着运动时间的延长无法持续提供能量，说明这不是人体主要的呼吸类型    乳酸    （3）高原环境下空气中的O2含量低，人体内会通过增殖分化更多的红细胞，提高血液的运氧能力，使机体的有氧呼吸功能增加，有助于提高运动员的运动能力【解析】（1）肌肉收缩最初的能量应来自于细胞中的存量ATP直接水解提供能量，人体细胞中ATP的产生部位有细胞质基质和线粒体。（2）根据分析，曲线B代表的过程可在较短时间内提供能量，是在呼吸的第一阶段产生的能量，但随着运动时间的延长无法持续提供能量，说明这不是人体主要的呼吸类型，应是无氧呼吸，人体内无氧呼吸的产物是乳酸。（3）运动员为提高运动能力，进行的高原训练，为的是提高血液中红细胞的含量，从而提高血液的运氧能力，使机体的有氧呼吸功能增加，有助于提高运动员的运动能力。例2：下图1是某种猕猴桃叶肉细胞光合作用和有氧呼吸的过程示意图，①〜④表示相关生理过程；图2是科研人员在某山区研究夏季遮阳对该种猕猴桃净光合速率影响的结果。分析回答：(1)图1过程①〜④中，发生在生物膜上的有______(填序号），过程③产生的[H]中的氢元素来源于______。(2)图2中实验的自变量为______，Q点的净光合速率比P点低，主要是由于______(环境因素）造成的。N点的净光合速率比M点低，主要是由于______导致图1中过程______(填序号）明显减慢所致。(3)根据研究结果，对该山区夏季猕猴桃园的管理提出合理建议：_________。(4)适当遮光可能导致叶绿素含量增加，请完善实验设计验证推测：提取并分离35%遮阳和不遮阳条件下的猕猴桃绿叶中的色素，比较____________。【答案】(1)①④   葡萄糖和H2O (和丙酮酸）(2)遮阳情况（或光照强度）与时间   光照较弱部分气孔关闭   ②  (3)在7:00〜17:00左右适度遮阳  (4)叶绿素色素带的宽度【解析】(1)分析图1可知：①表示在类囊体薄膜上进行的光反应，②表示在叶绿体基质中进行的暗反应，③表示依次在细胞质基质、线粒体基质中进行的有氧呼吸的第一、第二阶段，④表示在线粒体内膜上进行的有氧呼吸的第三阶段。综上分析，上述过程发生在生物膜上的有①④，过程③产生的[H]中的氢元素来源于葡萄糖、丙酮酸和H2O。(2)图2中实验的自变量为遮阳情况（或光照强度）与时间。与对照（不遮阳）条件下的P点相比，70%遮阳条件下的Q点，因光照较弱，限制了光合作用的进行，因此其净光合速率比P点低。M点与N点对应的时刻分别是10:30与13:30左右；与10:30左右相比，13:30左右的光照强、温度高、蒸腾失水较多，导致部分气孔关闭，猕猴桃吸收的CO2减少，进而导致图1中过程②所示的暗反应明显减慢，所以N点的净光合速率比M点低。(3) 图2显示：在7:00〜17:00时段左右，70%遮阳条件下的实验组的净光合速率低于对照组，而35%遮阳条件下的实验组的净光合速率却高于的对照组，说明适当遮阳处理可促进猕猴桃的生长。据此可知，对该山区夏季猕猴桃园的管理提出的合理建议是：在7:00〜17:00左右适度遮阳。(4)叶绿素含量越多，纸层析结果分离得到的相应的色素带越宽。因此，欲设计实验来验证“适当遮光可能导致叶绿素含量增加”的推测正确与否，可提取并分离35%遮阳和不遮阳条件下的猕猴桃绿叶中的色素，比较叶绿素色素带的宽度。 1．光补偿点指同一叶片在同一时间内，光合过程中吸收的CO2和呼吸过程中放出的CO2等量时的光照强度；光合速率随光照强度增加，当达到某一光照强度时，光合速率不再增加，该光照强度称为光饱和点。表1为甲、乙两个水稻品种在灌浆期、蜡熟期的光合作用相关数据。表1  甲、乙两个水稻品种灌浆期和蜡熟期光合作用相关指标的比较生长期光补偿点（μmol·m−2·s−1）光饱和点（μmol·m−2·s−1）最大净光合速率（μmolCO2·m−2·s−1）甲乙甲乙甲乙灌浆期68521853197621.6727.26蜡熟期75721732136519.1712.63注：灌浆期幼穗开始有机物积累，谷粒内含物呈白色浆状；蜡熟期米粒已变硬，但谷壳仍呈绿色。回答下列问题：（1）从表1中的数据推测，___________品种能获得较高产量，理由是____________。（2）据表1分析水稻叶片在衰老过程中光合作用的变化趋势。（3）根据该实验的结果推测，从灌浆期到蜡熟期水稻最大净光合速率的变化可能与叶片的叶绿素含量变化有关。请设计实验验证该推测（简要写出实验设计思路、预测实验结果并给出结论）。2．温室大棚种植番茄时，经常会遭遇白天持续高温现象，为研究此现象对番茄的影响，某科研小组测定了甲、乙两组番茄光合速率的变化，结果如下图所示。回答下列问题：(1)甲、乙两组番茄除控制白天温度不同外，还要控制________________(至少两个)等环境条件相同。(2)11:00之前，两组番茄氧气释放速率不断增强的主要原因是____________________________________。(3)9:30时，甲、乙两组番茄的O2释放速率相等，此时两组番茄的O2生成速率________(填“相等”或“不相等”)，理由是_______________________________________________________________。(4)11:00和15:30时甲、乙两条曲线均出现峰值，经检测甲、乙两组叶片峰值时胞间CO2浓度相等，此时适当提高乙组大棚内CO2浓度，推测乙组番茄叶绿体中C3的含量会________(填“上升”“基本不变”或“下降”)。3．叶绿体色素吸收特定波长光的能量后，从基态跃迁至激发态，但激发态不稳定，通过发射荧光回到基态，这些荧光组成的光谱称为发射光谱。类胡萝卜素分子吸收的光能可传递给叶绿素分子，导致类胡萝卜素的发射光遭强度减弱，能量传递效率与色素分子间的距离有关。图中A-D是叶绿素，类胡萝卜素及分子同能量传递的光谱学分析的实验结果。回答下列问题：（1）比较图A与图B，图A中曲线b是__________（填“叶绿素”或“类胡萝卜素”）的__________（填“发射”或“吸收”）光谱。（2）图C是以454nm的激发光分别诱导1×10−4mol/L类胡萝卜素的苯溶液、5×10−7mol/L叶绿素的苯溶液、1×10−4mol/L类胡萝卜素+5×10−7mol/L叶绿素的苯溶液产生的发射光谱。图中曲线g对应__________（填“类胡萝素”“叶绿素”或“类胡萝卜素+叶绿素”）的发射光谱：曲线g与e、f有差异，原因是__________。（3）图C实验的叶绿素+类胡萝卜素的混合液中，保持类胡萝卜素的浓度为1×10−4mol/L，依次增加叶绿素浓度，以454nm的光对混合液进行激发，分别检测叶绿素和类胡萝卜素的发射光谱，得到图D中的曲线j（叶绿素）和曲线k（类胡萝卜素），据此可知色素间能量传递效率与分子间距离的关系是__________。4．在植物体内，制造或输出有机物的组织器官被称为“源”，接纳有机物用于生长或贮藏的组织器官被称为“库”。小麦是重要的粮食作物，其植株最后长出的、位于最上部的叶片称为旗叶（如图6所示），旗叶对籽粒产量有重要贡献。回答以下问题：（1）旗叶是小麦最重要的“源”。与其他叶片相比，旗叶光合作用更有优势的环境因素是____________。在旗叶的叶肉细胞中，叶绿体内有更多的类囊体堆叠，这为____________阶段提供了更多的场所。（2）在光合作用过程中，光反应与暗反应相互依存，依据是____________。“源”光合作用所制造的有机物一部分用于“源”自身的____________和____________，另一部分输送至“库”。（3）籽粒是小麦开花后最重要的“库”。为指导田间管理和育种，科研人员对多个品种的小麦旗叶在不同时期的光合特性指标与籽粒产量的相关性进行了研究，结果如表1所示。表中数值代表相关性，数值越大，表明该指标对籽粒产量的影响越大。表1  不同时期旗叶光合特性指标与籽粒产量的相关性          时期相关性光合特性指标抽穗期开花期灌浆前期灌浆中期灌浆后期灌浆末期气孔导度*0.300.370.700.630.350.11胞间CO2浓度0.330.330.600.570.300.22叶绿素含量0.220.270.330.340.480.45*气孔导度表示气孔张开的程度。①气孔导度主要影响光合作用中___________的供应。以上研究结果表明，在___________期旗叶气孔导度对籽粒产量的影响最大。若在此时期因干旱导致气孔开放程度下降，籽粒产量会明显降低，有效的增产措施是___________。②根据以上研究结果，在小麦的品种选育中，针对灌浆后期和末期，应优先选择旗叶____________的品种进行进一步培育。（4）若研究小麦旗叶与籽粒的“源”“库”关系，以下研究思路合理的是___________（多选）。A．阻断旗叶有机物的输出，检测籽粒产量的变化B．阻断籽粒有机物的输入，检测旗叶光合作用速率的变化C．使用H218O浇灌小麦，检测籽粒中含18O的有机物的比例D．使用14CO2饲喂旗叶，检测籽粒中含14C的有机物的比例5．光合能力是作物产量的重要决定因素。为研究水稻控制光合能力的基因，科研人员获得了种植株高度和籽粒重量都明显下降的水稻突变体，并对其进行了相关实验。(l)叶绿体中的光合色素分布在类囊体膜上，能够___________和利用光能、光反应阶段生成的ATP和[H]参与在___________（场所）中进行的C3___________过程，该过程的产物可以有一系列酶的作用下转化为蔗糖和淀粉。(2)科研人员用电镜观察野生型和突变体水稻的叶绿体，结果如下图所示，与野生型相比，突变体的叶绿体出现了两方面的明显变化：①___________；②___________。此实验从________水平分析了突变体光合产量变化的原因。(3)半乳糖脂是类囊体膜的主要脂质成分，对于维持类囊体结构具有重要作用，酶G参与其合成过程。测序发现，该突变体的酶G基因出现异常。科研人员测定了野生型、突变体和转入酶G基因的突变体中的半乳糖脂及叶绿素含量，结果如下表所示。对比三种拟南芥的测定结果可知，______________________。(4)综合上述研究，请解释在相同光照条件下，突变体产量下降的原因___________。(5)若要利用酶G基因培育高产水稻，一种可能的思路是：将酶G基因转入___________（选填“野生型”或“突变体”）水稻，检测___________是否提高。6．植物在生长过程中会遇到被建筑物或冠层叶片遮挡阳光的情况，为了探究植物对遮阴的反应，研究人员首先测定了不同遮阴环境中光合有效辐射（P）以及蓝光（B）、红光（R）在光合有效辐射中所占的比例。然后，将生长一致的某种盆栽植物随机分成A、B、C三组，分别置于阳光直射、建筑遮阴和冠层遮阴环境中生长数周，测定叶片中叶绿素的含量，结果如表所示。环境条件光合有效辐射（P）（μmol·m−2·s−1）蓝光比例（B/P）红光比例（R/P）叶绿素a含量（mg·g−1）叶绿素b含量（mg·g−1）阳光直射105000.250.391.210.28建筑遮阴11600.360.291.450.39冠层遮阴8000.330.271.580.45回答下列问题：（1）实验后A→B→C三组植物叶片中叶绿素含量变化趋势及其生理意义是_____________，B、C组植物叶片中叶绿素a/b比例更适应遮阴环境，原因是_____________。（2）将实验后的A、B、C组植物同时置于建筑遮阴环境中，三组植物叶绿体中生成ATP和NADPH最多的是_____________组。（3）将一定数量的实验后B组植物分别置于阳光直射、建筑遮阴和冠层遮阴环境中，进行同样时长的光合作用，取叶片做脱色处理，在碘液中浸泡一段时间，取出观察，着色最深的是处于_____________环境中的叶片。（4）植物体一些新生的嫩叶经常会遇到被其他叶片部分遮挡的情况。研究发现光照会引起植物细胞内生长素含量减少，一个叶片左、右两部分的叶肉细胞输出的生长素会分别沿着该侧的叶柄细胞向下运输（如图所示）。据此推测，图中被遮挡嫩叶叶柄生长状态发生的变化是______________，其原因是_____________，这种生理反应的意义在于______________。                         模拟优练1.【答案】（1）乙    在灌浆期，乙品种的最大净光合速率比甲大，可积累的有机物多    （2）下降    （3）实验设计思路：取等量的同种水稻在灌浆期和蜡熟期的叶片，分别测定其叶绿素含量    预期实验结果和结论：处于灌浆期的水稻叶片的叶绿素含量高，说明植物由灌浆期到蜡熟期水稻的最大净光合速率下降是由于叶片的叶绿素含量下降造成的【解析】分析表格数据可知，灌浆期甲品种的最大净光合速率小于乙品种；蜡熟期甲品种的最大净光合速率大于乙品种。植物由灌浆期到蜡熟期，甲、乙品种的净光合速率均在下降。（1）从表中的数据推测，灌浆期幼穗开始有机物积累，而乙品种在灌浆期的最大净光合速率大于甲植物，故乙品种可积累的有机物多，能获得较高产量。（2）据表分析可知，植物由灌浆期到蜡熟期，甲、乙品种的光补偿点增大，光饱和点降低，最大净光合速率均在下降，即水稻叶片在衰老过程中光合作用下降。（3）分析题意可知，该实验目的是验证植物由灌浆期到蜡熟期，叶片的叶绿素含量减少导致净光合速率下降。根据实验设计原则可知，实验设计思路如下：取等量的同种水稻在灌浆期和蜡熟期的叶片，分别测定其叶绿素含量。预期实验结果和结论：处于灌浆期的水稻叶片的叶绿素含量高，说明植物由灌浆期到蜡熟期水稻的最大净光合速率下降是由于叶片的叶绿素含量下降导致的。2.【答案】(1)CO2浓度、光照强度(2)11:00之前，光照强度逐渐增大，光反应增强，氧气释放速率加快(3)不相等　此时甲、乙两组细胞呼吸速率不同，氧气的消耗速率不同(4)基本不变【解析】(1)甲、乙两组番茄除控制白天温度不同外，还要控制其他环境条件如光照强度、CO2浓度等相同，以遵循单一变量原则。(2)11:00之前，光照强度逐渐增大，光合作用逐渐增强，两组番茄氧气释放速率不断增强。(3)9:30时，甲、乙两组番茄的O2释放速率相等，表明甲、乙两组番茄的净光合速率相等，净光合速率＝真光合速率－呼吸速率，但甲、乙两组番茄的呼吸速率不同，则二者真光合速率不同，O2生成速率不同。 (4)11:00和15:30时甲、乙两组叶片胞间CO2浓度相等，说明此时的CO2浓度可以满足番茄进行高于乙的光合作用强度，所以此时限制乙光合作用的不是CO2浓度，因此此时适当提高乙组大棚内CO2浓度，乙组番茄叶绿体中C3的含量会基本不变。3.【答案】（1）叶绿素    发射    （2）类胡萝卜素+叶绿素    因为类胡萝卜素分子吸收的光能可以传递给叶绿素分子，但叶绿素的能量不能传给类胡萝卜素，导致类胡萝卜素的发射光谱强度减弱，叶绿素分子的发射光谱强度增强，所以图中发射光谱e为类胡萝卜素的、f为叶绿素的、g为类胡萝卜素+叶绿素的            （3）分子间距离越小，色素间能量传递效率越高【解析】（1）类胡萝卜素不吸收红光，b曲线吸光度大于d曲线，所以图A中曲线b是叶绿素的发射光谱。（2）图C是以454nm的激发光分别诱导1×10−4mol/L类胡萝卜素的苯溶液、5×10−7mol/L叶绿素的苯溶液、1×10−4mol/L类胡萝卜素+5×10−7mol/L叶绿素的苯溶液产生的发射光谱，因类胡萝卜素分子吸收的光能可以传递给叶绿素分子，导致类胡萝卜素的发射光谱强度减弱，叶绿素分子的发射光谱强度增强，所以图中发射光谱e为叶绿素的、f为类胡萝卜素的、g为类胡萝卜素+叶绿素的。曲线g与e、f有差异，原因是因为类胡萝卜素分子吸收的光能可以传递给叶绿素分子，但叶绿素的能量不能传给类胡萝卜素，导致类胡萝卜素的发射光谱强度减弱，叶绿素分子的发射光谱强度增强，所以图中发射光谱e为类胡萝卜素的、f为叶绿素的、g为类胡萝卜素+叶绿素的。（3）图C实验的叶绿素+类胡萝卜素的混合液中，保持类胡萝卜素的浓度为1×10−4moL/L，依次增加叶绿素浓度，以454nm的光对混合液进行激发，分别检测叶绿素和类胡萝 卜素的发射光谱，得到图D中的曲线j(叶绿素)和曲线k(类胡萝卜素)，由横坐标为叶绿素的浓度，叶绿素浓度越大，叶绿素分子和类胡萝卜素分子的距离越小，叶绿素的吸光度越大，说明分子间距离越小，色素间能量传递效率越高。 4.【答案】（1）光照强度    光反应    （2）光反应为暗反应提供[H]和ATP，暗反应为光反应提供ADP、Pi    呼吸作用    生长发育    （3）①二氧化碳    灌浆前    合理灌溉    ②叶绿素含量高   （4）ABD【解析】（1）据图可知：旗叶靠近麦穗最上端，能接受较多的光照，故与其他叶片相比，旗叶光合作用更有优势的环境因素是光照强度；类囊体上附着有与光合作用相关的酶和色素，为光反应阶段提供了场所。（2）光反应可为暗反应阶段提供[H]和ATP，同时暗反应可为光反应提供ADP、Pi，故在光合作用过程中，光反应与暗反应相互依存；制造或输出有机物的组织器官被称为“源”，故源”光合作用所制造的有机物一部分用于“源”自身的呼吸作用，一部分用于生长发育，其余部分运输至“库”。（3）①气孔导度表示气孔张开的程度，则气孔导度越大，植物吸收的二氧化碳越多，暗反应越有利；据表格数据可知：灌浆前期气孔导度最大，即此时对籽粒产量的影响最大；因“干旱导致气孔开放程度下降”，故为避免产量下降，应保证水分供应，即应合理灌溉。②据表格可知：灌浆后期和末期，叶绿素含量指数最高，对于光合速率影响较大，故应优先选择旗叶叶绿素含量高的品种进行进一步培育。（4）据题干信息可知：本实验为“研究小麦旗叶与籽粒的“源”“库”关系”，且据以上分析可知，源物质可转移至库，也可用于自身生长发育等，故可从阻断向库的运输及检测自身物质方面入手：阻断旗叶有机物的输出，检测籽粒产量的变化、阻断籽粒有机物的输入，检测旗叶光合作用速率的变化均为阻断向“库”的运输后检测的效果，A、B正确；使用14CO2饲喂旗叶，检测籽粒中含14C的有机物的比例为检测自身的有机物变化，而检测有机物的变化一般不用18O进行，C错误、D正确；故选ABD。5.【答案】(1)吸收叶绿体基质还原 (2)类囊体结构散乱淀粉粒数量减少细胞  (3)突变体的半乳糖脂和叶绿素含量均低于野生型，转入酶G基因后两者含量恢复  (4)酶G基因异常，半乳糖脂和叶绿素含量降低，影响类囊体结构，进而影响光反应，导致暗（碳）反应合成的蔗糖和淀粉减少  (5)野生型产量（或“光合速率”）【解析】（1）叶绿体中的光合色素分布在类囊体膜上，色素的作用能够吸收、传递和转化光能。光反应产生的[H]和ATP参与叶绿体基质中的暗反应过程，用于的C3还原形成以糖为代表的有机物。（2）科研人员用电镜观察野生型和突变体水稻的叶绿体，比较二者的叶绿体结构可知：①突变体的叶绿体与野生型的叶绿体相比，类囊体结构分布散乱；②图中可以明显看到，突变体的叶绿体比野生型的叶绿体中的淀粉粒减少。此实验从通过对比叶绿体的结构组成分析了光合作用的变化原因，因此属于细胞水平上的研究。（3）科研人员测定了野生型、突变体和转入酶G基因的突变体中的半乳糖脂及叶绿素含量，分析表中的结果，对比三种拟南芥的测定结果可知：突变体的半乳糖脂和叶绿素含量均低于野生型，而转入酶G基因后表中数据显示，两者含量均恢复到野生型水平上。（4）根据上述研究可知，突变体由于酶G基因异常，导致半乳糖脂和叶绿素含量降低，影响类囊体结构，进而影响光反应，而光反应可以为暗反应提供[H]和ATP，进而影响暗反应，导致暗（碳）反应合成的蔗糖和淀粉减少，从而使突变体产量下降。（5）根据以上研究可知，酶G基因可以有助于提高叶绿素的含量和增加类囊体的数量，从而提高产量。若要利用酶G基因培育高产水稻，根据基因工程的方法，可以将酶G基因转入野生型水稻中，检测野生型水稻的产量是否提高。6.【答案】(1)叶绿素含量上升，有利于吸收光能，适应遮光环境    遮阴环境中蓝光比例较大，叶绿素b比叶绿素a对蓝光的吸收峰值更高，B、C组叶绿素a/b比例小于A组，在遮阴环境中能吸收更多的光能    (2)C    (3)阳光直射    (4)向右侧弯曲生长    右侧光照导致生长素向下运输量减少，造成右侧生长速度低于左侧    减少叶片之间的相互遮挡，增大光合作用的有效面积，提高对光能的利用率；积累更多光合产物有利于植物的生长、发育、繁殖【解析】（1）据题干信息可知：A、B、C三组的环境条件分别为阳光直射、建筑遮阴和冠层遮阴环境，据表格数据可知随着环境中光照减弱，叶片中叶绿素含量逐渐增多；叶绿素含量上升，有利于吸收光能，提高光合作用速率，是植物对弱光环境的一种适应；据表可知：由于遮阴环境中蓝光比例较大，叶绿素b比叶绿素a对蓝光的吸收峰值更高，B、C组叶绿素a/b比例小于A组，在遮阴环境中能吸收更多的光能 ，因此B、C组植物叶片中叶绿素a/b比例更适应遮阴环境。（2）植物进行光合作用时ATP和NADPH是在光反应阶段产生的，一般而言，色素含量越高，则光反应越强，故三组植物叶绿体中生成ATP和NADPH最多的是叶绿素含量最高的C组。（3）将叶片做脱色处理后在碘液中浸泡一段时间的目的是检测淀粉的产量，光合作用强度越大，则产物的量越多。若实验后将B组植物分别置于阳光直射、建筑遮阴和冠层遮阴环境中，则三组的叶绿素含量和比例相同，此时光照强度越强，光合有效辐射越大，则光合作用越强，暗反应合成的（CH2O）等有机物越多，则着色更深，故着色最深的是处于阳光直射环境中的叶片。（4）由于植物生长素的运输方向有极性运输和横向运输，图示植物叶片左侧被遮挡，右侧能接受光照，右侧光照导致生长素向下运输量减少，造成右侧生长速度低于左侧，故植物叶柄表现为向右侧弯曲生长；该生理意义在于可减少叶片之间的相互遮挡，增大光合作用的有效面积，提高对光能的利用率；积累更多光合产物有利于植物的生长、发育、繁殖。