第
節(jié)
4
光合作用與能量轉化
第 5 章
高中生物學 必修1
1. 簡述綠葉中色素的種類及功能。2. 解釋葉綠體適于進行光合作用的結構特點。3. 說明光合作用的過程，并從物質與能量觀視角闡明光合作用的原理。4. 設計并實施實驗，探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響。5. 關注光合作用原理的應用。
學習目標
重點1.葉綠體中色素的種類及其作用。2.光合作用的發(fā)現及研究歷史。3.光合作用的光反應、暗反應過程及相互關系。4.影響光合作用強度的環(huán)境因素。難點1.光反應和暗反應的過程。2.探究影響光合作用強度的環(huán)境因素。
重點難點
一　捕獲光能的色素和結構葉綠體中捕獲光能的色素分布在[1] 　　　　　　　　　，葉綠體內靠[2] 　　　　增大膜面積。綠葉中色素的提取和分離實驗中，用[3] 　　　　　　提取綠葉中的色素，用[4] 　　　 　分離色素，分離的原理是四種色素在其中的[5] 　　　 　　不同。實驗中加入碳酸鈣的作用是[6] 　　　　 　，加入二氧化硅的作用是[7] 　　 　　。二　光合作用光合作用的光反應需要色素的參與，因而發(fā)生在[8] 　　 　　　　，其中葉綠素主要吸收可見光部分的[9] 　　　　　　，類胡蘿卜素主要吸收[10] 　　　　。從物質轉化來看，光反應又包含[11] 　　 　　和[12] 　　 　　兩步反應。從能量轉化角度來看，光反應是把光能轉化成[13] 　　 　　　　。
課前預習
類囊體的薄膜上
基粒
無水乙醇
層析液
溶解度
保護色素不被破壞
有助于研磨充分
葉綠體類囊體的薄膜上
紅光和藍紫光
藍紫光
水的光解
ATP 的合成
ATP 中活躍的化學能
光合作用的暗反應有光無光均可進行，發(fā)生在[14] 　 　　　 　中，主要包含的物質轉化是[15] 　 　　和[16] 　　　的還原。從能量轉化角度來看，主要是將ATP 中活躍的化學能轉化為[17] 　　　　 　 　　。影響光合作用強度的環(huán)境因素有[18] 　　　　、[19] 　　 　　、[20] 　　　 　、和[21] 　　 　等。三　化能合成作用化能合成作用是指利用體外環(huán)境中的[22] 　　 　　　氧化時所釋放的能量來制造有機物。例如，硝化細菌能利用[23] 　　　　氧化時釋放的化學能將[24] 　　 　　合成為糖類，供自身利用。
葉綠體基質
二氧化碳的固定
C3
有機物中穩(wěn)定的化學能
光照
二氧化碳濃度
溫度
土壤含水量
某些無機物
氨
二氧化碳和水
判斷題光合作用需要的色素和酶分別分布在葉綠體基粒和基質中 （　?。? 2. 葉綠素a 和葉綠素b 都含有鎂元素 （　?。?3. 葉綠素a 和葉綠素b 在紅光區(qū)的吸收峰值不同 （　?。?4. 植物葉片呈現綠色是由于葉綠素能有效地吸收綠光 （　　） 5. 葉片黃化，葉綠體對紅光的吸收增多 （　　） 6. 綠葉中色素分離的原理是色素溶解在有機溶劑中 （　?。?7. H2O 在光下分解為［H］和O2 的過程發(fā)生在葉綠體基質中 （　　） 8. 離體的葉綠體的基質中添加ATP、［H］和CO2 后，可完成暗反應過程 （　?。?
√
×
√
√
×
×
×
×
深度思考思考1 　為什么葉片一般呈現綠色？ 思考2 　為什么無色透明的大棚中植物的光合效率最高？
提示：無色透明大棚能透過日光中各種色光，有色大棚主要透過同色光，所以無色透明的大棚中植物的光合效率最高。
提示：因為葉綠素對綠光的吸收量很少，綠光被反射出來，所以葉片一般呈現綠色。
內容精解
一 捕獲光能的色素
綠葉中色素的提取和分離 實驗原理1. 色素提取的原理：綠葉中的色素易溶于無水乙醇、丙酮、石油醚等有機溶劑。2. 色素分離的原理：不同色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散得快；反之，則慢。方法步驟
【問題思考】（1）為什么需要選用新鮮綠色的葉片做實驗材料？ 提示：新鮮綠色的葉片中色素含量高，從而使濾液中色素含量較高，實驗效果明顯。（2）為什么研磨時要迅速？為什么研磨時要加入少量的碳酸鈣和二氧化硅？ 提示：葉綠素不穩(wěn)定，易被破壞，因此研磨要迅速、充分， 以保證提取較多的色素。二氧化硅會破壞細胞結構， 使研磨充分。碳酸鈣可防止研磨過程中色素被破壞。（3）為什么盛放濾液的試管管口加棉塞？ 提示：防止無水乙醇揮發(fā)和色素氧化。（4）濾紙為什么需預先干燥處理？在制備濾紙條時， 為什么將一端的兩個角剪掉？ 提示：干燥處理的目的是使層析液在濾紙上快速擴散；剪掉兩角的目的是防止層析液沿濾紙邊緣擴散過快，以保證色素帶分離整齊。
（5）為什么濾液細線要畫得直、細、齊，而且待濾液細線干燥后再重復畫一兩次？ 提示：濾液細線要畫得直、細、齊的目的是使分離出的色素帶平整、不重疊；濾液細線干燥后再重復畫一兩次，使分離出的色素帶清晰分明。（6）在層析時，為什么不能讓濾液細線觸及層析液？ 提示：濾紙條上的濾液細線觸及層析液，會使色素直接溶解到層析液中，結果使濾紙條上得不到色素帶。（7）分析濾紙條上色素帶寬窄不同的原因？ 提示：不同種類的色素在綠葉中的含量不同，含量多的色素帶寬；反之，色素帶窄。（8）葉綠體中各色素溶解度大小的關系是怎樣的？ 溶解度大小：胡蘿卜素> 葉黃素> 葉綠素a> 葉綠素b。
捕獲光能的色素 種類（如圖） 色素含量：葉綠素a> 葉綠素b> 葉黃素> 胡蘿卜素。分布：葉綠體的類囊體薄膜上。作用：吸收光能用于光合作用。
葉綠體中的色素及色素的吸收光譜 由圖中可以看出： 1. 葉綠體中的色素只吸收可見光，而對紅外光和紫外光等不吸收。2. 葉綠素對紅光和藍紫光的吸收量大，類胡蘿卜素對藍紫光的吸收量大，對其他波段的光并非不吸收，只是吸收量較少。
例 1 難度★★☆ 典型★★★ 在做“綠葉中色素的提取和分離”實驗時，甲、乙、丙、丁四位同學對相關試劑的使用情況如下表所示（“+”表示使用，“-” 表示未使用），其余操作均正常，他們所得到的實驗結果依次應為圖中的（　?。? A. ①②③④ 　　 B. ②④①③ C. ④②③① 　　 D. ③②①④
【解析】無水乙醇用于溶解綠葉中的色素，甲同學未加無水乙醇，其濾紙條上應無色素帶，對應②。乙同學操作正確，其濾紙條上的色素帶應是正常的，對應④。碳酸鈣能夠防止研磨時色素被破壞，丙同學未加碳酸鈣，其濾紙條上葉綠素a、葉綠素b 對應的色素帶應較窄，對應①。二氧化硅能夠使研磨更充分，丁同學未加二氧化硅，其濾紙條上的四條色素帶均應較窄，對應③。【答案】B
例 2 ［2020·河北三市聯(lián)考］ 下列有關綠葉中色素的提取和分離實驗的敘述中，正確的是 （　　）A. 葉綠素的提取需要加入層析液作為提取液B. 過濾時應使用單層尼龍布，并用棉塞塞住試管口C. 分離色素時應將濾液細線置于層析液中D. 選材不同，四條色素帶在濾紙條上的排列順序不同
【解析】提取葉綠素應使用無水乙醇，層析液用于分離色素，A 項錯誤；過濾時使用單層尼龍布，并用棉塞塞住試管口，以防止無水乙醇揮發(fā)，B 項正確；分離色素時不能將濾液細線置于層析液中，否則色素會溶入層析液中，C 項錯誤；不同材料中四種色素在層析液中的溶解度相同，來自不同材料葉綠體中的四種色素含量可能不同，經過紙層析后，在濾紙上的排列順序相同，色素帶粗細可能不同，D 項錯誤?！敬鸢浮緽
1.（★★） ［2020·廣東東莞高一期末］下列關于“綠葉中色素的提取和分離”實驗的敘述，正確的是 （?。〢. 應該在研磨葉片后立即加入碳酸鈣，防止葉綠素被破壞B. 在畫出一條濾液細線后緊接著重復畫線2～3 次C. 若濾液細線全部沒入層析液，則無法觀察到色素帶D. 在層析液中溶解度最高的葉綠素 a 在濾紙條上擴散得最快
【解析】在進行“綠葉中色素的提取和分離”實驗中，應該在研磨葉片之前加入碳酸鈣，防止研磨過程中葉綠素被破壞，A 項錯誤；在畫出一條濾液細線后，要待濾液干燥后，再重復畫線 1～2 次，使得濾液細線細、直、齊，而且色素含量較多，B 項錯誤；若濾液細線全部沒入層析液，就會溶解到層析液中，則無法觀察到色素帶，C 項正確；在層析液中溶解度最高的是胡蘿卜素，在濾紙條上擴散得最快，D 項錯誤?！敬鸢浮緾
【即時練】
2. 下圖是新鮮菠菜葉的光合色素紙層析的結果，下列敘述中正確的是 （?。〢. 色素帶①②都是由碳氫鏈組成的分子B. 色素帶①②變窄的原因可能是未加碳酸鈣C. 紙層析的原理是光合色素易溶于體積分數為 95% 的乙醇D. 色素帶③④中的色素只能吸收紅光和藍紫光
【解析】由題圖可知，色素帶①是胡蘿卜素，②是葉黃素，二者都是由碳氫鏈組成的分子，A 項正確；研磨時加入碳酸鈣是為了保護葉綠素，而色素帶①是胡蘿卜素，②是葉黃素，B 項錯誤；紙層析的原理是不同光合色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的在濾紙條上擴散得快，而溶解度低的在濾紙條上擴散得慢，C 項錯誤；色素帶③是葉綠素 a，④是葉綠素 b，葉綠素 a 和葉綠素 b 主要吸收紅光和藍紫光，而非只吸收紅光和藍紫光，D 項錯誤。【答案】A
3.（★★） ［2020·北京石景山區(qū)高一期末］某同學在做“綠葉中色素的提取和分離” 實驗時，為了確定無水乙醇、CaCO3 和 SiO2 的作用，進行了 4 組實驗來驗證，4 組實驗結果如下圖所示，第④組是進行了正確操作的對照組。下列針對實驗結果的分析，不正確的是 （?。〢. ①可能是未加 CaCO3 而得到的實驗結果B. ②可能是因用水取代了無水乙醇而得到的實驗結果C. ③可能是因未加 SiO2 而得到的實驗結果D. 綠葉中的色素都能夠溶解在層析液中，四種色素的溶解度相同
【解析】①組實驗結果不理想的原因可能是未加 CaCO3而使葉綠素被破壞，A 項正確；色素能溶解在無水乙醇中，而不能溶于水，所以用水取代無水乙醇不能分離出色素帶，B 項正確；③中色素帶較窄，分離出的色素少，原因可能是未加SiO2 而使得研磨不充分，C 項正確；綠葉中的色素都能夠溶解在層析液中，但是四種色素的溶解度不同，D 項錯誤?！敬鸢浮緿
4. 分別在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個研缽中加2 g 剪碎的新鮮菠菜綠葉， 并按下表所示添加試劑，經研磨、過濾得到三種不同顏色的溶液，即深綠色、黃綠色、幾乎無色。注：“+”表示加，“-”表示不加。則Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個研缽中的溶液顏色分別是（　?。?A. 幾乎無色、黃綠色、深綠色B. 深綠色、幾乎無色、黃綠色C. 黃綠色、深綠色、幾乎無色D. 黃綠色、幾乎無色、深綠色
【解析】由題干信息可知，研缽Ⅰ中未加入碳酸鈣和蒸餾水，研缽Ⅱ中未加入無水乙醇，研缽Ⅲ中未加入蒸餾水。色素提取過程中，二氧化硅可使研磨充分，碳酸鈣可保護葉綠素等色素免受破壞，無水乙醇用于溶解色素，色素不溶于蒸餾水。研缽Ⅰ中因未加入碳酸鈣，部分葉綠素被破壞，因此溶液應呈黃綠色；研缽Ⅱ中未加入無水乙醇，色素不能被溶解，因而溶液幾乎無色；研缽Ⅲ中能得到正常的提取液，溶液呈深綠色?！敬鸢浮緿
5. 如圖表示某同學做“綠葉中色素的提取和分離”實驗時的改進裝置，下列與之有關的敘述中，錯誤的是（　　） A. 應向培養(yǎng)皿中倒入層析液B. 應將濾液滴在a 處，而不能滴在b 處 C. 實驗結果應是得到四個不同顏色的同心圓（近似圓形） D. 實驗得到的若干個同心圓中，最小的一個圓呈橙黃色
【解析】題圖所示是一個綠葉中色素分離的實驗裝置，所以應把層析液倒入培養(yǎng)皿中，燈芯起到傳遞層析液的作用，把濾液滴到a 處讓其隨層析液在定性濾紙上擴散，四個圓圈中擴散最慢的即為最小的，它應該是呈黃綠色的葉綠素b?！敬鸢浮緿
6. 下列有關“綠葉中色素的提取和分離”實驗的敘述，正確的是（　?。?A. 加入碳酸鈣防止濾液揮發(fā)B. 用NaCl 溶液提取葉片中的色素C. 用無水乙醇或丙酮分離濾液中的色素D. 加入二氧化硅（石英砂）有利于充分研磨
【解析】加入碳酸鈣的目的是防止色素被破壞，用無水乙醇或丙酮提取色素而不是分離濾液中的色素?！敬鸢浮緿
葉綠體的結構與功能結構（如圖） 1. 雙層膜：分為內膜和外膜，其主要功能是控制物質進出葉綠體。2. 基粒：由囊狀結構（類囊體）堆疊而成。吸收光能的四種色素和光反應所需的酶就分布在類囊體的薄膜上。3. 基質：在基粒與基粒之間充滿基質，基質中含有與光合作用暗反應有關的酶。另外，還含有少量DNA 與RNA，與葉綠體的遺傳有關。
二　葉綠體的結構與功能
功能葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所。葉綠體功能的驗證實驗 恩格爾曼的實驗過程及現象
【特別提示】恩格爾曼實驗的巧妙之處（1）實驗材料選擇妙實驗材料選擇水綿。水綿不僅具有細而長的帶狀葉綠體，而且葉綠體螺旋狀地分布在細胞中，便于觀察。（2）排除干擾的方法妙沒有空氣的黑暗環(huán)境排除了氧氣和光的干擾。（3）觀測指標設計妙通過好氧細菌的分布進行檢測，從而能夠準確地判斷出釋放氧氣的部位。（4）實驗對照設計妙用極細的光束點狀投射，葉綠體上可分為獲得光照部位和無光照部位，相當于一組對照實驗；進行黑暗（局部光照）和完全暴露在光下的對照實驗；明確實驗結果完全是由光照引起的等。
例 1 難度★★☆ 典型★★☆ ［2020·沈陽鐵路中學高三模擬］下列關于色素的敘述中，正確的是（　?。〢. 植物體內所有的色素都位于葉綠體中B. 葉綠體中的不同色素在無水乙醇中的溶解度不同，所以會在濾紙條上分離C. 葉綠體中的各種色素都不能吸收綠光D. 葉綠體中的色素分布于類囊體薄膜上
【解析】植物體內光合色素都位于葉綠體中，液泡中也含有色素，A 項錯誤；由于色素在層析液中的溶解度不同，所以其在濾紙條上的擴散速度不同，能在濾紙條上分離，B 項錯誤；葉綠體中的色素對綠光吸收的很少，而不是不吸收，C 項錯誤；葉綠體中的光合色素分布于類囊體薄膜上，D 項正確?！敬鸢浮緿
例 2 難度★★☆ 典型★★☆ 下列關于葉綠體的描述，錯誤的是（　?。?A. 基粒由類囊體堆疊而成B. 葉綠體的外表有雙層膜C. 暗反應發(fā)生在類囊體薄膜上D. 類囊體薄膜上具有葉綠素和酶
【解析】葉綠體是具有雙層膜結構的細胞器，其中許多類囊體像圓餅一樣疊在一起，形成基粒；類囊體薄膜上有許多與光合作用有關的色素和酶。在暗反應中，CO2 的固定和C3 的還原在葉綠體基質中進行。【答案】C
【即時練】1. 紅楓是一種木本觀賞植物，在生長季節(jié)葉片呈紅色，下列關于該植物的敘述，正確的是（　?。?A. 紅楓葉片不含葉綠素B. 紅楓葉片呈紅色是因為吸收了紅光C. 紅楓葉片能吸收光能進行光合作用D. 液泡中色素吸收的光能用于光合作用
【解析】紅楓葉片含葉綠素，可進行光合作用；紅楓葉片呈紅色是因液泡中含有花青素，花青素是不能吸收光能進行光合作用的?！敬鸢浮緾
2.（★★） ［2020·遼寧大連高一期末］下圖為葉綠體中色素吸收光能的情況，以下說法中正確的是 （ ）①在晚間用綠光照射行道樹，目的是通過植物光合作用以增加夜間空氣中的 O2 濃度?、趽D可知，用波長 400 ～ 470nm 的光比用白光更有利于提高光合作用強度?、墼诮涍^紙層析法分離出來的色素帶上，胡蘿卜素的色素帶在最上面?、芤话闱闆r下，光合作用所利用的都是可見光，波長范圍是390 ～ 760 nm?、萃寥乐腥狈︽V時，新葉對 620 ～ 670 nm 波長的光利用量無明顯變化A. ②④⑤　　B. ③④⑤　C. ②③④　　D. ①②⑤
【解析】植物光合作用幾乎不利用綠光，所以用綠光照射達不到增加夜間空氣中的 O2 濃度的目的，①錯誤；波長 400 ～ 470 nm 的光只是白光的一部分，與白光相比不利于提高光合作用強度，②錯誤；胡蘿卜素在層析液中的溶解度最高，因此在色素帶上胡蘿卜素的色素帶在最上面，③正確；一般情況下，光合作用所利用的都是波長范圍為390 ～ 760 nm 的可見光，④正確；土壤中缺鎂時，老葉中的鎂元素可以轉移到新葉中，所以新葉對 620 ～ 670 nm 波長的光利用量無明顯變化，⑤正確?！敬鸢浮緽
三 探究光合作用原理的部分實驗
例 科學家往小球藻培養(yǎng)液中通入14CO2 后，分別給予小球藻不同時間的光照，結果如下表： 根據上述實驗結果分析，下列敘述錯誤的是 （　?。?A. 小球藻沒有葉綠體，CO2 的固定是在細胞質基質中發(fā)生的B. 每組照光后需將小球藻進行處理使酶失活才能測定放射性物質分布C. 本實驗研究的是卡爾文循環(huán)D. 實驗結果說明光合作用產生的有機物除糖類外還有其他有機物
【解析】小球藻是綠藻的一種，是單細胞真核生物，有葉綠體，A 項錯誤；由題意可知，用的是同位素標記法探究二氧化碳中碳元素的去向，而物質在體內會在酶的作用下進行代謝，要準確測出碳的去向就需要將小球藻進行處理使酶失活測定放射性物質分布，B 項正確；本實驗研究的是卡爾文循環(huán)，C 項正確；表格中的數據說明光合作用除了產生的有機物除糖類外還有氨基酸、有機酸等，D 項正確?！敬鸢浮緼
【即時練】1. 下圖表示在較強光照且溫度相同以及水和小球藻的質量相等的條件下，小球藻進行光合作用的實驗示意圖。一段時間后，以下相關比較不正確的是（　 　） A. Y2 的質量大于Y3 的質量B. ④中小球藻的質量大于①中小球藻的質量C. ②中水的質量大于④中水的質量D. 試管①的質量大于試管②的質量
【解析】由題意可知，Y1 和Y3 是O2，Y2 和Y4 是18O2，因此Y2 的質量大于Y3 ；④中小球藻含有（CH218O），而①中小球藻中含有（CH2O），故④中小球藻的質量大于①中小球藻的質量； ④和②中的水都為H218O，且含量相同，因此質量相等；在試管①和②原有質量相等的情況下，②中釋放出的是18O2，而①中釋放出的是O2，故剩余質量①大于②。【答案】C
四 光合作用的過程
光反應階段 概念：光合作用第一個階段中的化學反應，必須有光才能進行，這個階段叫光反應階段。場所：葉綠體的類囊體薄膜上。條件：必須有光、葉綠體中的色素和酶。過程水的光解：2H2O → 4［H］+O2 ATP 的合成：ADP+Pi → ATP 實質：將光能轉變?yōu)閮Υ嬖贏TP 中的活躍的化學能，釋放O2。
暗反應階段 概念：光合作用第二個階段中的化學反應，有沒有光都可以進行，這個階段叫暗反應階段。場所：葉綠體基質中。條件：多種酶參與。過程CO2 的固定：CO2+C5 → 2C3 C3 的還原：2C3+［H］→（CH2O）+C5 實質：同化CO2，將活躍的化學能轉變?yōu)橛袡C物中穩(wěn)定的化學能。光反應階段和暗反應階段的關系 聯(lián)系：光反應和暗反應是一個整體，二者緊密聯(lián)系。光反應是暗反應的基礎，為暗反應提供能量（ATP）和還原劑（［H］），暗反應產生的ADP 和Pi 為光反應合成ATP 提供原料。
區(qū)別
【特別注意】暗反應在有光、無光條件下都能進行。若光反應停止， 暗反應可利用光反應階段產生的還未被利用的［H］ 和ATP 繼續(xù)進行一段時間，但時間很短，大多數植物晚上只進行細胞呼吸，不進行暗反應。
例 1 難度★★☆ 典型★★★下圖為葉綠體結構與功能示意圖，下列說法錯誤的是（　?。?A. 結構A 中的能量變化是光能轉換為ATP 中的化學能B. 供給14CO2，放射性出現的順序為CO2 → C3 →甲C. 結構A 釋放的O2 可進入線粒體中D. 如果突然停止CO2 的供應，短時間內C3 的含量將會增加
【解析】結構A 為類囊體薄膜，分布有與光反應有關的酶和色素，能把光能轉換為ATP 中活躍的化學能，A 項正確。從暗反應的過程可以看出，供給14CO2，放射性出現的順序為CO2 → C3 →甲，B 項正確。光合作用產生的O2 可進入線粒體，被細胞呼吸利用，C項正確。在光合作用中，CO2 首先被C5 固定形成C3，若突然停止CO2 的供應，則C3 的生成量減少，而其消耗量不變，因此短時間內C3 的含量將會減少，D 項錯誤?！敬鸢浮緿
例 2 難度★★☆ 典型★★★［2020·四川德陽一模］通過對光合作用的研究發(fā)現：葉綠體接受光照后，類囊體腔內的 pH 明顯下降。下列有關該現象的原因的敘述，正確的是 （　?。〢. NADPH 分解釋放 H + 引起B(yǎng). 大量 CO 2 進入葉綠體基質引起C. 與 ATP 水解后產生磷酸有關D. 該現象與 H 2 O 的光解有關
【解析】光反應階段，H 2 O 被分解為 O 2 和 H + 等，H + 與NADP + 結合，形成 NADPH，A 項錯誤。CO 2 進入葉綠體后，參與暗反應，在葉綠體基質中進行，最終被還原為糖類等有機物，不會進入類囊體腔內導致 pH 下降，B 項錯誤。光反應產生的 ATP 參與暗反應，ATP 水解發(fā)生在葉綠體基質中，不是發(fā)生在類囊體腔內，C 項錯誤。光反應過程中，H 2 O 在光下分解產生 H + 和 O 2 等，H + 可以使類囊體腔內的 pH 明顯下降，D 項正確。 【答案】D
【即時練】1. 光合作用過程包括光反應和暗反應。圖表示光反應與暗反應的關系，據圖判斷下列敘述不正確的是（　　） A. 光反應為暗反應提供ATP 和NADPH（［H］） B. 停止光照，葉綠體中ATP 和NADPH 含量下降C. ATP 的移動方向是由類囊體到基質D. 植物在暗處可大量合成（CH2O）
【解析】光合作用必須在光照條件下進行，在暗處植物不能大量合成（CH2O）?！敬鸢浮緿
2. 在適宜的條件下，植物光合作用的光反應與暗反應是平衡的，但是這個平衡會受到外界環(huán)境， 如光照突然增強的影響。請回答下列問題： （1）植物在光反應過程中，吸收的光能除了用于合成ATP 外， 還用于 　　　　　　　　　　；在暗反應過程中， CO2 通過氣孔進入葉肉細胞的過程在夏季中午會受到抑制， 原因是 a 。（2）光照突然增強時，植物吸收CO2 的速率并沒有迅速上升而是緩慢上升，可能的原因是 　　　　　　　　?。还庹諒姸葴p弱時，植物吸收CO2 的速率并沒有迅速降低，可能的原因是 　　　　　　　　　　　　　。
【解析】（1）光反應過程中，吸收的光能既可用于合成ATP， 又可將H2O 分解成O2 和［H］；夏季中午氣溫高，為減少蒸騰作用，氣孔（部分）關閉，減少了CO2 的吸收，影響暗反應。（2）光照突然增強時，光反應先增強，光反應產生的［H］和ATP 增加，進而使C5 的生成量增加，固定的CO2 才會增加； 光照強度減弱時，光反應減弱，但光反應過程積累的［H］ 和ATP 可以繼續(xù)利用，所以植物吸收CO2 的速率不會迅速降低?！敬鸢浮浚?1）將 H2O 分解成 O2 和［H］　 夏季中午氣溫高，為減少蒸騰 作用，氣孔（部分）關閉?。?）葉綠體內C5 含量較低，C5 再生需要一段時間　光反應過程積累的ATP 和[H] 供暗反應繼續(xù)利用
五　化能合成作用
概念 某些細菌（如硝化細菌、硫細菌等）能夠利用體外環(huán)境中的某些無機物氧化時所釋放的能量來制造有機物，這種合成作用叫作化能合成作用。舉例 硝化細菌（包括亞硝化細菌和硝化細菌）利用將土壤中的NH3 氧化成HNO2、HNO3 釋放的能量，將CO2 和H2O 合成為有機物，并將能量儲存在有機物中。其反應式如下： 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+ 能量2HNO2+O2 2HNO3+ 能量6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O
例 難度★★☆ 典型★★☆ 光合作用與化能合成作用的相似點是（　?。?A. 都以太陽能作為能源B. 都需要將環(huán)境中的物質氧化釋放能量C. 都能將無機物轉變成有機物D. 都是高等生物的代謝類型
【解析】進行光合作用和化能合成作用的生物都是自養(yǎng)生物，兩者的共同點是都能將外界環(huán)境中的無機物轉變成儲存著能量的有機物?！敬鸢浮緾
深度拓展
一 影響光合作用的環(huán)境因素
單一環(huán)境因素對光合作用的影響光照強度（如圖） 1. 原理分析：光照強度通過影響光反應階段，影響ATP 和［H］的產生，進而制約暗反應階段。
2. 曲線分析（1）A 點時，光照強度為0，只進行細胞呼吸（對應圖中甲圖）。植物表現為吸收O2 釋放CO2。（2）AB 段，隨著光照強度的增強，光合作用強度也逐漸增強，但是仍然小于細胞呼吸強度（對應圖中乙圖）。植物整體表現為吸收O2 釋放CO2。（3）B 點時，光合作用強度等于細胞呼吸強度（對應圖中丙圖）。此時植物表現為既不吸收CO2 和O2，也不釋放CO2 和O2，光合作用同化的有機物量與細胞呼吸消耗的有機物量相等。這一光照強度稱為光補償點。
（4）BC 段，隨著光照強度的增強，光合作用強度不斷增強（對應圖中丁圖）。光合作用強度大于細胞呼吸強度，植物表現為吸收CO2 釋放O2，有有機物積累。（5）C 點對應的光照強度為光飽和點，C 點時，限制光合速率的環(huán)境因素不再是光照強度，可能是溫度或CO2 濃度等。3. 應用分析：欲使植株正常生長，則必須使光照強度大于B 點對應的光照強度；適當提高光照強度可增加大棚作物產量。
CO2 濃度（如圖） 1. 原理分析：通過影響暗反應階段，制約C3 的生成。2. 曲線分析：圖中A 點表示光合速率等于細胞呼吸速率時的CO2 濃度，即CO2 補償點，B 點表示CO2 飽和點，該圖表示在一定范圍內，光合速率隨CO2 濃度的增大而增大。3. 應用分析：大氣中的CO2 濃度較低時，植物無法進行光合作用。在農業(yè)生產中可通過“正其行，通其風”和增施農家肥等措施增大CO2 濃度，以提高光合速率。
溫度（如圖） 1. 原理分析：溫度通過影響與光合作用有關的酶的活性，進而影響光合作用。2. 曲線分析：低溫導致酶的活性降低，引起植物的光合速率降低；在一定范圍內，隨著溫度升高酶活性升高，進而引起光合速率增大；溫度過高會引起酶活性降低甚至失活， 使植物光合速率減小。3. 應用分析：溫室栽培中，白天適當升高溫度，以提高光合速率；晚上適當降低溫室內的溫度，以降低細胞呼吸速率，保證植物有機物的積累。
（2）OB 段表明干物質量隨光合作用強度的增大而增加。B 點以后，由于光合作用強度不再增大，但葉片隨葉面積指數的不斷增大，呼吸量（OC 段）不斷增大，所以干物質量不斷降低（BC 段）。2. 應用分析：適當間苗、修剪，合理施肥、澆水，避免徒長。封行過早，使中下層葉子所受的光照往往在光補償點以下，白白消耗有機物，造成不必要的浪費。
光照面積（如圖）1. 曲線分析（1）OA 段表明隨葉面積指數的不斷增大，光合作用實際量不斷增大，A 點為光合作用葉面積指數飽和點，A 點以后，隨著葉面積指數的增大，光合作用強度不再增大，原因是有很多葉被遮擋，接受光照不足。
多個環(huán)境因素同時對光合作用的影響（下圖） 曲線分析：P 點及P 點之前，限制光合速率的因素應為橫坐標所表示的因素，隨橫坐標所示因素的不斷加強，光合速率不斷提高。Q 點及Q 點之后，橫坐標所表示的因素不再是光合速率的限制因素，要想提高光合速率，可適當提高圖示中的其他因素。應用：溫室栽培時，在一定光照強度下，白天適當提高溫度，增強與光合作用有關的酶的活性，以提高光合速率。也可同時充入適量的CO2 進一步提高光合速率。當溫度適宜時，可適當提高光照強度和CO2 濃度，以提高光合速率。
【誤區(qū)警示】影響光合作用因素中的兩個易忽略點（1）易忽略溫度改變對光合作用的影響。溫度改變時， 不管是光反應還是暗反應，均會受到影響，但主要影響暗反應，因為參與暗反應的酶的種類和數量比參與光反應的多。（2）易忽略CO2 濃度對光合作用的影響。CO2 濃度很低時，光合作用不能進行；當CO2 濃度大于某值時，光合作用才能進行。對于植物來說，存在CO2 的補償點和飽和點，CO2 濃度過高時，會抑制植物的細胞呼吸， 進而影響光合作用?！咎嵝选恐参镒陨硪蛩貙夂献饔玫挠绊懖煌闹参?、同種植物的不同器官和不同的發(fā)育時期，葉綠體的數量、葉綠體中色素的含量、酶的種類和數量均有差異，光合作用強度亦受影響。
例 1 難度★★★ 典型★★★ 某學校研究小組利用葉面積相等的A、B 兩種植物的葉片分別進行了以下兩組實驗（假設兩組實驗在相同且適宜的溫度下進行，且忽略光照對細胞呼吸的影響）。實驗一：將A、B 兩種植物的葉片分別放置在相同的密閉小室中，給予充足的光照，利用紅外測量儀每隔5 min 測定一次小室中的CO2 濃度，結果如圖中圖1 所示。實驗二：給予不同強度的光照，測量A、B 兩種植物葉片的CO2 吸收量和CO2 釋放量，結果如圖2 所示。 1 2
【解析】（1）由圖1 可知，0 ～ 20 min，隨著CO2 濃度的降低，B 植物光合速率降低，因此影響其光合作用強度的主要環(huán)境因素是CO2 濃度。從兩個裝置內CO2 濃度達到的最低值來看， B 植物所在裝置內CO2 濃度更低，可以判斷B 植物具有更強的固定CO2 的能力。（2）實驗一從開始到10 min 時，兩種植物從外界吸收CO2 的量相等，說明兩種植物的凈光合速率相同，由于光合作用的實際速率= 凈光合速率+ 呼吸速率，由圖2 可知，A 植物的呼吸速率小于B 植物的呼吸速率，所以A 植物光合作用產生的有機物總量小于B 植物。（3）若在第5 min 時光照強度突然降低，則光反應減弱，產生的［H］和ATP 的量減少，C3 的消耗量減少，因此C3 含量增加。植物一晝夜（24 h）有機物積累量的變化等于白天的凈積累量- 晚上的消耗量，據圖分析，當光照強度在a、b 之間時，每日光照12 h，B 植物白天的有機物凈積累量小于24 mg·m-2，其晚上呼吸的消耗量為24 mg·m-2， 故一晝夜有機物的積累量為負值，說明一晝夜后B 植物的干重減少?！敬鸢浮浚?）CO2 濃度　B 植物?。?）少　雖然10 min 時CO2 濃度下降值相同，但A 植物的細胞呼吸強度小于B 植物的細胞呼吸強度　（3）增加　減少
1.某興趣小組研究光照強度和光合作用的關系，得到下圖曲線，下列敘述錯誤的是 （　）A. A 點時植物只進行細胞呼吸B. B 點對應的光照強度下光合速率等于呼吸速率C. D 點光合速率達到最大D. DE 段的限制因素是光照強度
【即時練】
【解析】在 A 點，對應的光照強度為 0，植物只進行細胞呼吸，A 項正確；在 B 點即光補償點時，光合速率與呼吸速率相等，B 項正確，據圖可知，D 點以后，CO2 吸收速率不再變化，表示凈光合速率不再發(fā)生變化且達到最大，光合速率= 凈光合速率 + 呼吸速率，而呼吸速率不會隨著光照強度的變化而變化，因此 D 點光合速率達到最大，C 項正確；D 點已經達到光的飽和點，因此 D 點以后即 DE 段的限制因素不再是光照強度，而是光照強度之外的其他因素，如溫度、CO2濃度等，D 項錯誤。【答案】D
2. 為探究影響光合作用強度的因素，將同一品種玉米苗置于 25 ℃條件下培養(yǎng)，實驗結果如下圖所示。下列敘述中，錯誤的是（ ）A. 此實驗有兩個自變量B. D 點比 B 點 CO2 吸收量高的主要原因是光照強度大C. 實驗結果表明，在土壤含水量為 40% ～ 60% 的條件下施肥效果明顯D. 制約 C 點光合作用強度的因素主要是土壤含水量
【解析】影響光合作用強度的因素有光照強度、CO2 濃度、溫度、肥料、水等，由題意可知本實驗探究的自變量有光照強度、肥料、水三個，A 項錯誤；由圖示曲線可知，與 D 點相比，B 點的光照強度較弱，光合作用強度也較弱，因此 D點比B點CO2吸收量高的主要原因是光照強度大，B項正確；根據圖示，同一光照條件下，當土壤含水量在 40% ～ 60% 之間時，施肥的效果明顯，C 項正確；C 點土壤含水量較少，光合作用強度較低，因此制約 C 點時光合作用強度的因素主要是土壤含水量，D 項正確?！敬鸢浮緼
3. 下圖甲為研究光合作用的實驗裝置。用打孔器在某植物的葉片上打出多個葉圓片，再用氣泵抽出氣體直至葉圓片沉入水底，然后將等量的葉圓片轉至含有不同濃度的 NaHCO3 溶液中，給予一定的光照，測量每個玻璃皿中葉圓片上浮至液面所用的平均時間（如圖乙），以研究光合速率與 NaHCO3 溶液濃度的關系。下列有關分析正確的是 （ ）在 ab 段，隨著 NaHCO3 溶液濃度的增加，光合速率逐漸減小B. 在 bc 段，單獨增加 NaHCO3 溶液濃度，可以縮短葉圓片上浮至液面的平均時間C. 在 c 點以后，因 NaHCO3 溶液濃度過高，使葉肉細胞失水而導致代謝水平下降D. 因 NaHCO3 溶液中不含 O2 ，所以整個實驗過程中葉圓片不能進行細胞呼吸
【解析】由圖乙可知，在 ab 段，隨著 NaHCO3 溶液濃度的增加，光合速率逐漸增大，釋放的 O2 量增多，葉圓片上浮至液面所用的平均時間減少，A 項錯誤；由圖乙可知，在 bc段，單獨增加 NaHCO 3 溶液濃度，不能縮短葉圓片上浮至液面的平均時間，B 項錯誤；在 c 點以后，因 NaHCO3 溶液濃度過高，使葉肉細胞失水而導致代謝水平下降，產生的 O2量減少，葉圓片上浮至液面所用的平均時間增加，C 項正確；整個實驗過程中葉圓片都在進行細胞呼吸，D 項錯誤。【答案】C
4. 下圖甲為研究光合作用的實驗裝置。用打孔器在某植物的葉片上打出多個葉圓片，再用氣泵抽出氣體直至葉圓片沉入水底，然后將等量的葉圓片轉至含有不同濃度的 NaHCO3 溶液中，給予一定的光照，測量每個玻璃皿中葉圓片上浮至液面所用的平均時間（如圖乙），以研究光合速率與 NaHCO3 溶液濃度的關系。下列有關分析正確的是 （ ）在 ab 段，隨著 NaHCO3 溶液濃度的增加，光合速率逐漸減小B. 在 bc 段，單獨增加 NaHCO3 溶液濃度，可以縮短葉圓片上浮至液面的平均時間C. 在 c 點以后，因 NaHCO3 溶液濃度過高，使葉肉細胞失水而導致代謝水平下降D. 因 NaHCO3 溶液中不含 O2 ，所以整個實驗過程中葉圓片不能進行細胞呼吸
【解析】曲線由 a 點轉向 b 點時，光照強度增大，光反應速率增大，為暗反應提供的［H］和能量增多，C3 的還原反應速率增加，消耗C3 的數量增多，而 CO2 濃度不變，C5 結合 CO2生成 C3的數量暫時不變，故 C3濃度降低，A 項錯誤；曲線由 b 點轉向 d 點時， CO2濃度降低，固定 CO2消耗 C5的數量減少，而 C3還原生成 C5的速率暫時不變， C5濃度升高，B 項正確；對比 a 點和 b 點可知適當增加光照強度可提高光合速率，對比 b 點和 d 點可知，適當提高 CO2濃度有利于提高光合速率，C 項正確；在一定的 CO2濃度條件下，光合速率不能隨著光照強度的增大而繼續(xù)增大，是因為葉綠體中酶的數量有限，限制了光合速率的進一步提升，D 項正確。 【答案】A
二 光照、CO2 濃度對光合作用中各物質含量的影響
圖示分析
例 難度★★★ 典型★★★ 右圖表示大棚栽培的植物在環(huán)境因素發(fā)生改變時，葉綠體內暗反應中C3 和C5 含量的變化情況。下列選項中最可能導致這種變化的環(huán)境因素是（　?。?A. 給植物增施氮肥和鎂肥B. 大棚栽培的植物通過增施農家肥料補充CO2 C. 給植物補充適宜強度的人工光照D. 夜間適當降低植物的環(huán)境溫度
【特別提醒】 ?。?）以上各種物質的含量變化是在外界條件改變的短時間內發(fā)生的，且是相對含量的變化。（2）以上各物質變化中，C3 和C5 含量的變化總是相反的，［H］和ATP 含量的變化總是一致的。
【解析】氮、鎂是構成植物體內葉綠素的重要元素，增施氮肥和鎂肥有利于葉綠素的合成，使光反應產生的［H］和ATP 增加， 促進C3 的還原，導致C3 的含量減少，C5 的含量增加。CO2 和C5 結合生成C3，CO2 增多會導致C3 的含量增加，C5 含量減少。補充適宜強度的光照，使光反應產生的［H］和ATP 增加， 加速C3 的還原，導致C3 含量減少，C5 含量增多。夜間適當降低植物的環(huán)境溫度對光合作用沒有影響，C3 和C5 的含量基本不變?！敬鸢浮緽
1.（★★）［2020·北京懷柔區(qū)高一期末］適宜環(huán)境下進行光合作用時，如果突然停止光照，短時間內葉綠體中 C5 與［H］相對含量的變化是 （?。〢. C5增多， ［H］減少 B. C5 增多， ［H］增多C. C5 減少， ［H］減少 D. C5 減少， ［H］增多
【即時練】
【解析】在其他條件適宜的情況下，在供試植物正常進行光合作用時突然停止光照后，光反應即停止，不再產生［H］和 ATP，而CO2 的固定則繼續(xù)進行，不斷消耗 C5 ，但由于缺少［H］和 ATP， C3的還原減弱直至停止，C3 不能被還原 C5 ，故 C5含量將迅速減少。【答案】C
2.（★★）離體的葉綠體在光照下進行穩(wěn)定光合作用時，如果突然中斷CO2 的供應，短時間內葉綠體中 C3 與 C5 相對含量的變化是 （　?。〢. C3減少， C5增多B. C3 增多， C5 增多C. C3減少， C5 減少D. C3 增多， C5 減少
【解析】突然中斷 CO2 的供應，導致消耗的 C5減少，所以短時間內 C5的含量增多；中斷 CO2供應后，C3 的生成減少，而其還原仍在進行，所以短時間內 C 3 的含量減少，故 C3與 C5相對含量的變化分別是減少、增多，A 項正確?！敬鸢浮緼
3.（★★）下圖表示某植物葉肉細胞中 C3 和C5 含量的變化情況，該植物在Ⅰ階段處于適宜環(huán)境條件下，Ⅱ階段是某個環(huán)境條件降低引起的瞬時變化。下列分析正確的是 （?。〢.Ⅰ階段在類囊體薄膜上進行，Ⅱ階段在葉綠體基質中進行B. 圖中Ⅱ階段的變化很可能是降低光照強度引起的C. 圖中甲轉變成乙需要光反應提供的 ATP 和 NADPHD. 達到最大光合作用強度時，Ⅱ階段所需的最小光照強度比Ⅰ階段低
【解析】題圖表示植物葉肉細胞中 C3 和 C5 濃度的變化情況，因此兩個階段均表示光合作用暗反應，發(fā)生在葉綠體基質中，A 項錯誤。在適宜環(huán)境條件下，植物葉肉細胞內 C3含量約為 C5含量的 2 倍，故甲應為 C5 ，乙應為 C3 。當光照強度降低時，短時間內光反應產生的［H］、ATP 減少，導致C3 的還原減少，而 C5與 CO2 反應生成的 C3不變，因此 C3含量將上升， C5含量將下降，不符合題圖中的變化趨勢；而當 CO2濃度降低時，短時間內光反應產生的［H］、ATP 不變， C5與 CO2反應生成的 C3減少，導致 C5的消耗減少，而 C3的還原繼續(xù)進行，因此 C3含量下降， C5含量將上升，符合題圖中的變化趨勢，故Ⅱ階段發(fā)生的變化應為CO2濃度降低，B 項錯誤。甲是 C5 ，乙是 C3 ，甲轉變成乙需要 CO2 ，C 項錯誤。由以上分析可知，發(fā)生改變的是CO2濃度降低，達到最大光合作用強度時，Ⅱ階段所需的光照強度比Ⅰ階段低，D 項正確?！敬鸢浮緿
4. ［2020·廣東佛山質檢］為研究不同環(huán)境因素對光合作用的影響，某小組取弱光下培養(yǎng)的黑藻，在適宜且穩(wěn)定的溫度下，逐步進行了以下實驗：第一步：給予黑藻充足恒定的光照，一段時間內（t 1 → t 2 ）測得黑藻的光合速率逐漸提高，但至 t 2 后不再提高，而是保持穩(wěn)定。第二步：維持光照，充入 CO 2 ，一段時間內（t 3 → t 4 ）測得黑藻的光合速率進一步提高。第三步：將黑藻轉入黑暗環(huán)境中培養(yǎng)，測得光合速率逐漸下降?；卮鹣铝袉栴}：（1）在第一步實驗中，t 2 后限制光合速率提高的環(huán)境因素是　　　　　　　。（2）在第二步實驗中，光照強度不變，光反應速率　　　　（填“提高”“降低”或“不變”）。（3）在第三步實驗中，轉入黑暗后葉綠體內首先積累起來的物質是　　，原因是　　　　　　　 。

【解析】（1）根據給予黑藻充足恒定的光照時，t 2 后光合速率不再提高，再結合第二步充入CO 2 ，光合速率進一步提高，可知 t 2 后限制光合速率提高的環(huán)境因素是 CO 2 濃度。（2）第二步實驗中，提高了 CO 2 濃度后暗反應速率加快，NADPH和 ATP 的消耗加快，促進了光反應的進行，因此在光照強度不變的情況下，光反應速率提高。（3）黑暗條件下無光照，則 NADPH 和 ATP 的合成停止，C 3 還原受阻，而此時 CO 2的固定仍在進行，因此首先積累起來的物質是 C 3 ?！敬鸢浮浚?）CO 2 濃度?。?）提高　（3）C 3 　轉入黑暗后 C 3 還原受阻，而此時 CO 2 的固定仍在進行
三 光合作用與細胞呼吸的相關計算
呼吸速率的表示方法 將植物置于黑暗環(huán)境中，測定實驗容器內CO2 增加量、O2 減少量或有機物減少量，則可用單位時間內CO2 增加量、O2 減少量或有機物減少量表示呼吸速率。凈光合速率和真正光合速率的表示方法 凈光合速率，又叫表觀光合速率：常用在光照條件下測得的單位時間內O2 釋放量、CO2 吸收量或有機物積累量表示。真正光合速率，又叫實際光合速率、總光合速率：常用單位時間內O2 產生量、CO2 固定量或有機物產生量（或制造量）表示。
呼吸速率、凈光合速率與真正光合速率的關系（如圖） 由圖可知，在不考慮光照強度對呼吸速率影響的情況下，OA 段表示植物呼吸速率，OD 段表示植物凈光合速率，OA+OD 段表示真正光合速率，即真正光合速率= 凈光合速率+ 呼吸速率。
當植物的光合作用與細胞呼吸同時進行時，存在如下關系光合作用實際產氧量（葉綠體產氧量）= 實測植物氧氣釋放量+ 細胞呼吸耗氧量。光合作用實際CO2 消耗量（葉綠體固定CO2 量）= 實測植物CO2 吸收量+ 細胞呼吸CO2 釋放量。光合作用葡萄糖凈產生量（葡萄糖積累量）= 光合作用實際葡萄糖產生量（葉綠體產生或合成的葡萄糖量）- 細胞呼吸葡萄糖消耗量。
以凈光合速率的大小來判斷植物能否正常生長（自然狀態(tài)下，以一天24 h 為單位） 凈光合速率大于0 時，植物因積累有機物而正常生長。凈光合速率等于0 時，植物因沒有有機物積累而不能生長。凈光合速率小于0 時，植物因有機物減少而不能生長，且長時間處于此種狀態(tài)下植物將死亡?！疽族e提醒】植物進行光合作用的同時，一定進行細胞呼吸，但在進行細胞呼吸時不一定進行光合作用。因為光合作用只有在有光條件下才能進行，而細胞呼吸有光無光都能進行。
例 難度★★★ 典型★★☆ 以測定的CO2 吸收量與釋放量為指標，研究溫度對某綠色植物光合作用與細胞呼吸的影響，結果如圖所示。下列分析正確的是（　?。?A. 光照相同時間，35 ℃時光合作用制造的有機物的量與30 ℃時相等B. 光照相同時間，在20 ℃條件下植物積累的有機物的量最多C. 溫度高于25 ℃時，光合作用制造的有機物的量開始減少D. 兩曲線的交點表示光合作用制造的有機物的量與細胞呼吸消耗的有機物的量相等
【解析】圖中虛線表示的是光照下CO2 的吸收量，即光合作用有機物凈合成量。在光照時間相同的情況下（以1 h 為例），30 ℃時光合作用有機物合成的總量為3.50（有機物凈合成量）+3.00（細胞呼吸消耗量）=6.50 mg，35 ℃時光合作用有機物合成的總量為3.00（有機物凈合成量）+3.50（細胞呼吸消耗量） = 6.50 mg，兩者相等。在 25 ℃時，單位時間內CO2 吸收量最大，即光合作用有機物凈合成量最大。溫度高于25 ℃（如30 ℃）時，光合作用制造的有機物的量還在增加。兩曲線的交點表示光合作用的有機物凈合成量等于細胞呼吸消耗量。【答案】A
【即時練】1. 下圖是葉肉細胞在不同光照強度下葉綠體與線粒體的代謝簡圖，下列敘述錯誤的是（　　） A. 細胞①處于黑暗環(huán)境中，該細胞單位時間內釋放的CO2 量即為呼吸速率B. 細胞②沒有與外界環(huán)境發(fā)生O2 和CO2 的交換，可斷定此時光合速率等于呼吸速率C. 細胞③處在較強光照條件下，細胞光合作用所利用的CO2 量為N1 與N2 的和D. 分析細胞④可得出，此時的光照強度較弱且N1 小于m2
【解析】結合圖示可知，細胞①中僅線粒體中有氣體的消耗和生成，故應處在黑暗環(huán)境中，此時細胞單位時間內釋放的CO2 量可表示呼吸速率；細胞②沒有與外界環(huán)境進行氣體交換，此時光合速率與呼吸速率相等；細胞③需要從外界環(huán)境吸收CO2，并向細胞外釋放O2，此時細胞所處環(huán)境的光照強度大于光補償點，細胞所利用的CO2 包括細胞呼吸產生的N2 和從環(huán)境中吸收的N1 ；細胞④中，線粒體利用的O2 除來自葉綠體外，還要從外界環(huán)境中吸收，說明此時細胞呼吸強度大于光合作用強度，細胞進行有氧呼吸和光合作用的過程中，O2 的凈消耗量（吸收量）m2 與CO2 的凈生成量N1 相等。【答案】D
例 1 ［2019·江蘇卷］下圖為某次光合作用色素紙層析的實驗結果，樣品分別為新鮮菠菜葉和一種藍細菌經液氮冷凍研磨后的乙醇提取液。下列敘述正確的是 （　?。┭心r加入 CaCO 3 過量會破壞葉綠素B. 層析液可采用生理鹽水或磷酸鹽緩沖液C. 在敞開的燒杯中進行層析時，需通風操作D. 實驗驗證了該種藍細菌沒有葉綠素 b
【解析】研磨時加入 CaCO 3 的目的是防止葉綠素被破壞，故研磨時加入 CaCO 3 過量不會破壞葉綠素，但會影響色素提取液的純度，A 項錯誤。光合色素易溶于有機溶劑不溶于水，故層析液應選用有機溶劑，而生理鹽水和磷酸鹽緩沖液為無機溶劑，B 項錯誤。層析液易揮發(fā)，故進行層析時要用培養(yǎng)皿覆蓋燒杯，C項錯誤。比較題圖所示分離結果可知，該種藍細菌沒有葉黃素和葉綠素 b，D 項正確?！敬鸢浮緿
走向高考
一 光合作用
例 2 ［2016·全國Ⅱ高考］ 難度★★☆ 典型★★★ BTB 是一種酸堿指示劑。BTB 的弱堿性溶液顏色可隨其中CO2 濃度的增高而由藍變綠再變黃。某同學為研究某種水草的光合作用和細胞呼吸，進行了如下實驗：用少量的NaHCO3 和BTB 加水配制成藍色溶液，并向溶液中通入一定量的CO2 使溶液變成淺綠色，之后將等量的淺綠色溶液分別加入到7 支試管中。其中6 支加入生長狀況一致的等量水草，另一支不加水草，密閉所有試管。各試管的實驗處理和結果見下表。
* 遮光是指用黑紙將試管包裹起來，并放在距日光燈100 cm 的地方。
若不考慮其他生物因素對實驗結果的影響，回答下列問題。（1）本實驗中，50 min 后1 號試管的溶液是淺綠色，則說明2 至7 號試管的實驗結果是由 引起的；若1 號試管的溶液是藍色，則說明2 至7 號試管的實驗結果是 　　　　　　?。ㄌ睢翱煽康摹被颉安豢煽康摹保?。（2）表中X 代表的顏色應為 　?。ㄌ睢皽\綠色”“黃色” 或“藍色”），判斷依據是　　　。（3）5 號試管中的溶液顏色在照光前后沒有變化，說明在此條件下水草 。
【讀題】以光照強度（距日光燈的距離）為自變量，以溶液顏色的變化為因變量，研究某種水草的光合作用和細胞呼吸?！舅悸方ⅰ竣匍喿x題表，提取有效信息：溶液的顏色在由藍→綠→黃的變化過程中，CO2 濃度逐漸升高；2 號試管內的水草只能進行細胞呼吸釋放CO2，溶液中CO2 濃度最高；3 ～ 7 號試管內水草的光合作用強度隨光照強度的增大而逐漸增強，吸收的CO2 逐漸增多，溶液中CO2 的濃度逐漸降低；1 號試管為對照組。②以提取的“有效信息”作為解題的切入點，結合光合作用與細胞呼吸的關系進行分析判斷。
【解析】（1）依題意并結合表中信息可知：距日光燈的距離表示光照的強弱。2 號試管遮光，其內的水草不能進行光合作用， 但能進行細胞呼吸；3 ～ 7 號試管內的水草在有光的條件下，溶液顏色的變化是光合作用吸收的CO2 量與細胞呼吸釋放的CO2 量的綜合反映；1 號試管為對照組，其中的NaHCO3 可維持CO2 濃度的相對穩(wěn)定，2 ～ 7 號試管為實驗組。綜上所述，若50 min 后，1 號試管的溶液是淺綠色， 則說明2 ～ 7 號試管的實驗結果是由不同光強下水草的光合作用與細胞呼吸引起的；若1 號試管的溶液是藍色，則說明2 ～ 7 號試管的實驗結果是不可靠的。（2）2 號試管因遮光，其內的水草不能進行光合作用消耗CO2，但能通過細胞呼吸釋放CO2，所以試管內CO2 濃度高于3 號試管的，X 代表的顏色應為黃色。（3）5 號試管中的溶液顏色與對照組1 號試管的相同，均為淺綠色，說明在此條件下水草的光合作用強度等于細胞呼吸強度。【答案】（1）不同光強下水草的光合作用與細胞呼吸　不可靠的?。?）黃色　水草不能進行光合作用，只能進行細胞呼吸，溶液中CO2 濃度高于3 號試管?。?）光合作用強度等于細胞呼吸強度，吸收與釋放的CO2 量相等
例 3 ［2017·全國Ⅱ高考］ 難度★★☆ 典型★★★下圖是表示某植物葉肉細胞光合作用和呼吸作用的示意圖。據圖回答下列問題： （1）圖中①、②、③、④代表的物質依次是 　　　　　　　、 　　　　　　　、 　 　　　　　、 　　　　　　， ［H］代表的物質主要是 　　　　　　　　。（2）B 代表一種反應過程，C 代表細胞質基質，D 代表線粒體，則ATP 合成發(fā)生在A 過程，還發(fā)生在 　　　?。ㄌ睢癇 和C”“C 和D”或“B 和D”）。（3）C 中的丙酮酸可以轉化成酒精，出現這種情況的原因是 。
【解析】（1）由圖可知，A、B 過程分別為光合作用的光反應和暗反應階段，類囊體薄膜上發(fā)生水的光解，產生［①］O2、NADPH 和ATP ；暗反應首先發(fā)生CO2 的固定，④為C5，再進行C3 的還原，消耗ATP 和NADPH，產生［②］NADP+、［③］ADP 和Pi ；細胞呼吸（呼吸作用）的第一和第二階段產生的［H］為還原型輔酶Ⅰ（NADH）。（2）植物葉肉細胞產生ATP 的生理過程有：光合作用的光反應階段（A）和有氧呼吸的三個階段（C 和D）。（3）植物葉肉細胞中，有氧條件下，丙酮酸進入線粒體最終分解成CO2 和H2O ；在缺氧條件下，轉化成酒精和CO2。【答案】（1）O2 　NADP+ 　ADP+Pi 　C5 　NADH（或答：還原型輔酶Ⅰ）?。?）C 和D ?。?）在缺氧條件下進行無氧呼吸
例 4 ［2017·北京高考］ 難度★★★ 典型★★☆ 某植物光合作用、呼吸作用與溫度的關系如圖。據此，對該植物生理特性理解錯誤的是（　　） A. 呼吸作用的最適溫度比光合作用的高B. 凈光合作用的最適溫度約為25 ℃ C. 在0 ～ 25 ℃范圍內，溫度變化對光合速率的影響比對呼吸速率的大D. 適合該植物生長的溫度范圍是10 ～ 50 ℃
二 影響光合作用的因素
【讀題】依據兩坐標軸讀懂題圖：溫度對總光合速率、凈光合速率及呼吸速率的影響?！舅悸方ⅰ拷庾x圖中總光合速率和呼吸速率隨溫度的升高發(fā)生變化的趨勢，找出最適溫度并分析該趨勢形成的原因， 以及凈光合速率最大時的最適溫度?！窘馕觥緼 對、B 對：據圖可知，總光合作用的最適溫度約為30 ℃， 呼吸作用的最適溫度要高于50 ℃，凈光合作用的最適溫度約為25 ℃。C 對：在0 ～ 25 ℃范圍內，隨著溫度升高，光合速率曲線的升高幅度要遠大于呼吸速率，這說明溫度變化對光合速率的影響比對呼吸速率的大。D 錯：凈光合作用是指一定時間內光合作用合成量與呼吸作用消耗量的差值，也稱為凈積累量。只有凈積累量為正值時，植物才能生長。在45 ～ 50 ℃范圍內，呼吸速率比光合速率大，凈積累量為負值，植物不能生長?！敬鸢浮緿
例 5 ［2018·全國Ⅰ卷］ 難度★★☆ 典型★★★ 甲、乙兩種植物凈光合速率隨光照強度的變化趨勢如下圖所示?；卮鹣铝袉栴}。（1）當光照強度大于 a 時，甲、乙兩種植物中，對光能的利用率較高的植物是　　　　。（2）甲、乙兩種植物單獨種植時，如果種植密度過大，那么凈光合速率下降幅度較大的植物是　　　　，判斷的依據是　 　　　　　　　　　　　　。（3）甲、乙兩種植物中，更適合在林下種植的是　　　　。（4）某植物夏日晴天中午 12 ：00 時葉片的光合速率明顯下降，其原因是進入葉肉細胞的　　　?。ㄌ睢癘 2 ”或“CO 2 ”）不足。
【解析】（1）由曲線圖可知，光照強度大于 a 時，甲植物的凈光合速率隨著光照強度的增加而增加的幅度更大，說明甲植物對光能的利用率較高。（2）當種植密度過大時，植株的葉片會相互遮擋，植株接受的光照強度減弱，導致植物凈光合速率下降。由曲線圖可知，光照強度降低導致甲植物凈光合速率降低的幅度比乙大。（3）由曲線圖可知，在低光照強度下，乙植物的凈光合速率較高，在高光照強度下，乙植物的凈光合速率明顯低于甲植物，所以乙植物更適合在林下低光照強度的環(huán)境下種植。（4）夏日晴天中午 12 ：00時，溫度較高，部分氣孔關閉，進入葉肉細胞的 CO 2 明顯減少，抑制了暗反應，導致葉片的光合速率明顯降低。 【答案】 （1）甲?。?）甲　光照強度降低導致甲植物凈光合速率降低的幅度比乙大，種植密度過大，植株接受的光照強度減弱，導致甲植物凈光合速率下降幅度比乙大?。?）乙?。?）CO 2
三　條件驟變對光合作用中各物質含量的影響例 6 ［2018·江蘇卷］ 難度★★☆ 典型★★★ 下圖為某一植物在不同實驗條件下測得的凈光合速率，下列假設條件中能使圖中結果成立的是（　?。〢. 橫坐標是 CO 2 濃度，甲表示較高溫度，乙表示較低溫度B. 橫坐標是溫度，甲表示較高 CO 2 濃度，乙表示較低 CO 2濃度C. 橫坐標是光波長，甲表示較高溫度，乙表示較低溫度
【解析】隨著 CO 2 濃度的增大，凈光合速率先增大后趨于穩(wěn)定，但由于凈光合速率最大時對應著一個溫度，即最適溫度，低于或高于此溫度，凈光合速率都將下降，所以無法確定在 CO 2 濃度足夠大時，較高溫度下的凈光合速率是否高于較低溫度，A 項錯誤。植物進行光合作用存在最適溫度，高于最適溫度后，凈光合速率減小，所以隨著溫度升高，凈光合速率不應先升高后趨于穩(wěn)定，B 項錯誤。由于光合色素主要吸收紅光和藍紫光，在相應光波長時，植物的凈光合速率存在峰值，不應呈現先升高后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，且光波長一定時，較高溫度下的凈光合速率不一定較高，C 項錯誤。隨著光照強度的增加，凈光合速率先增大后趨于穩(wěn)定，在光照強度足夠時，較高的CO 2 濃度下凈光合速率較大，D 項正確?！敬鸢浮緿

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二 光合作用的原理和應用

版本： 人教版 (2019)

年級： 必修1《分子與細胞》

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