考點一 細(xì)胞呼吸、光合作用的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化
1.光合作用與細(xì)胞呼吸的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程
(1)生理過程及場所
(2)完善光合作用與細(xì)胞呼吸的物質(zhì)聯(lián)系
2.光合作用與細(xì)胞呼吸的能量轉(zhuǎn)化
3.NADPH、NADH([H])、ATP的來源與去路
教材深挖[必修1第106頁“拓展應(yīng)用2”]給密閉玻璃瓶中的植物幼苗提供適宜的水、無機鹽、光照、溫度等條件,幼苗的生存時間一般不會太長,請分析可能的原因是????  。?提示 隨著植物生長,土壤中的水分會減少,土壤中的無機鹽含量會下降,玻璃瓶中CO2含量減少等
考向一 建構(gòu)模式圖,考查物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化1.(2023·山東臨沂一模)光合作用與細(xì)胞呼吸相互依存、密不可分,各自又具有相對的獨立性。如圖是某植物光合作用和細(xì)胞呼吸過程示意圖,其中Ⅰ~Ⅶ代表物質(zhì),①~⑤代表過程。
下列敘述錯誤的是(  )A.圖中Ⅶ被相鄰細(xì)胞利用至少需要穿過6層生物膜B.圖中Ⅱ和Ⅴ、Ⅲ和Ⅶ分別是同一種物質(zhì),Ⅰ和Ⅳ是不同物質(zhì)C.圖中①~⑤均伴隨著ATP的合成或水解,其中③合成的ATP可被②利用D.光合作用的產(chǎn)物脂肪、糖類、蛋白質(zhì)的合成或分解都可通過細(xì)胞呼吸聯(lián)系起來
解析 圖中Ⅶ是有氧呼吸第二階段的產(chǎn)物,表示CO2,產(chǎn)生場所是線粒體基質(zhì),在相鄰細(xì)胞的葉綠體基質(zhì)中被利用,至少需要穿過線粒體膜(2層)、線粒體所在細(xì)胞的細(xì)胞膜(1層)、相鄰細(xì)胞的細(xì)胞膜(1層)、相鄰細(xì)胞的葉綠體膜(2層),至少需要穿過6層生物膜,A項正確;圖中Ⅱ是水光解產(chǎn)物O2,Ⅲ能與C5結(jié)合形成C3,表示CO2,Ⅴ與有氧呼吸前兩個階段產(chǎn)生的Ⅳ參與有氧呼吸第三階段形成水,因此Ⅴ是O2,Ⅳ是[H],Ⅶ是CO2,Ⅱ(O2)和Ⅴ(O2)是同一種物質(zhì),Ⅲ(CO2)和Ⅶ(CO2)是同一種物質(zhì),Ⅰ是NADPH,Ⅳ是NADH,兩者是不同物質(zhì),B項正確;據(jù)圖可知,①表示CO2固定,②表示C3還原,③表示有氧呼吸第一階段,④表示有氧呼吸第三階段,⑤表示有氧呼吸第二階段,其中②過程伴隨著ATP的水解,③④⑤過程伴隨著ATP的合成,③合成的ATP不能被②利用,C項錯誤;呼吸作用一方面能為生物體的生命活動提供能量,另一方面能為體內(nèi)其他化合物的合成提供原料,光合作用的產(chǎn)物脂肪、糖類、蛋白質(zhì)的合成或分解都可通過細(xì)胞呼吸聯(lián)系起來,D項正確。
2.(2024·廣東茂名統(tǒng)考)如下表示葉肉細(xì)胞內(nèi)光合作用、細(xì)胞呼吸過程中O的轉(zhuǎn)移過程。下列說法正確的是(  )
A.過程①②④都有ATP生成B.過程③⑤都有[H]生成C.過程①②⑤都需在生物膜上進行D.過程②③可相互提供物質(zhì)
解析 過程④表示光合作用暗反應(yīng)階段中CO2的固定,該階段沒有ATP的合成,A項錯誤;過程⑤表示暗反應(yīng)階段中C3的還原,該階段沒有[H]的生成,B項錯誤;過程⑤為光合作用的暗反應(yīng)階段,發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中,C項錯誤;過程②有氧呼吸第三階段,可以為過程③有氧呼吸第二階段提供水,過程③可以為過程②提供[H],D項正確。
考向二 考查NADPH、NADH、ATP的來源與去路3.(2023·安徽淮北一模)綠色植物光合作用和細(xì)胞呼吸之間的能量轉(zhuǎn)換如圖所示,圖中①~⑥代表物質(zhì),下列有關(guān)敘述錯誤的是(  )A.植物光反應(yīng)把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S的化學(xué)能貯存在NADPH和①中B.葉綠體中的NADPH和線粒體中的NADH都具有還原性C.給植物提供H218O,短時間內(nèi)生成的O2和CO2均可含18OD.物質(zhì)④在葉綠體基質(zhì)中合成,在線粒體基質(zhì)中分解
解析 植物光反應(yīng)把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S的化學(xué)能儲存在NADPH和①ATP中,A項正確;葉綠體中的NADPH參與C3的還原,線粒體中的NADH與氧結(jié)合生成水,二者都具有還原性,B項正確;給植物提供H218O,H218O參與光反應(yīng)生成18O2,H218O參與有氧呼吸的第二階段生成C18O2,因此短時間內(nèi)生成的O2和CO2均可含18O,C項正確;物質(zhì)④為葡萄糖,在葉綠體基質(zhì)中合成,在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中分解,D項錯誤。
考點二 真正(總)光合速率、凈光合速率和呼吸速率的關(guān)系
1.辨析凈光合速率與總光合速率(1)微觀辨析(以光合速率大于呼吸速率為例)
2.真正(總)光合速率、凈光合速率和呼吸速率的關(guān)系(1)判定方法
(2)相關(guān)計算①光合作用實際產(chǎn)氧量(葉綠體產(chǎn)氧量)=實測植物氧氣    +        。?②光合作用實際CO2消耗量(葉綠體消耗CO2量)=實測植物        +細(xì)胞呼吸CO2釋放量。?③光合作用葡萄糖凈生產(chǎn)量(葡萄糖積累量)=光合作用實際葡萄糖生產(chǎn)量(葉綠體產(chǎn)生或合成的葡萄糖量)-細(xì)胞呼吸葡萄糖消耗量。
鏈高考·前掛后連(1)弱光條件下植物沒有O2的釋放,說明未進行光合作用。[2021·湖南卷](  )(2)夏季連續(xù)陰天,大棚中白天適當(dāng)增加光照,夜晚適當(dāng)降低溫度,可提高作物產(chǎn)量。(  )(3)夏季晴天,造成植物光合作用的“午休”現(xiàn)象的主要原因是環(huán)境中CO2濃度過低。(  )
練思維·考教銜接1.[根據(jù)2023北京卷情境設(shè)計]圖1~3是光合作用、細(xì)胞呼吸相關(guān)曲線圖,據(jù)圖分析下列問題。
(1)圖1中,交點D對應(yīng)E,此時凈光合量為  ,植物生長最快的點是   。(2)圖2中,a、b間的差值(a-b)為        ,交點F的含義是光合強度    呼吸強度,對應(yīng)圖1中的          。?(3)圖3中,曲線c表示       ,與圖2中曲線a表示含義    (填“相同”或“不相同”)。交點G的含義是        =呼吸強度,此點植物   (填“能”或“不能”)生長。?
2.如圖為在晴朗夏季,某植物在大田(圖甲)和密閉玻璃罩(圖乙)內(nèi)一晝夜植物吸收、釋放二氧化碳速率變化曲線(水平虛線:實驗開始時玻璃罩內(nèi)CO2濃度)。據(jù)圖分析下列問題。
(1)圖甲中,白晝是指橫坐標(biāo)中的   段,其中一晝夜中有機物積累量達(dá)到最大值的時間是   點。?(2)圖甲中,在ef段中CO2吸收速率下降的原因是       ,而cd段CO2吸收速率下降的原因是  。?(3)圖甲中,一晝夜光合作用強度超過細(xì)胞呼吸強度的時間段是   段。
溫度過高,氣孔部分關(guān)閉,CO2供應(yīng)不足
(4)從光合作用和細(xì)胞呼吸角度分析,在圖乙中,與圖甲植物在b點的整體生理狀態(tài)相同的點有         。根據(jù)圖乙,該植物一晝夜能否積累有機物?依據(jù)是什么?提示 能,據(jù)圖乙可知,K點時玻璃罩內(nèi)的CO2濃度比A點低,說明該植物經(jīng)過一晝夜后,吸收了CO2,即植物細(xì)胞光合作用合成有機物的總量多于細(xì)胞呼吸消耗有機物的總量,因此能積累有機物。(5)有人提出圖甲中cd段光合速率變小的原因還可能是中午溫度過高,高溫破壞了類囊體膜結(jié)構(gòu),使葉綠體吸收光能效率降低,光反應(yīng)受抑制。實驗小組嘗試采用根部滴灌的方式,發(fā)現(xiàn)光合速率迅速恢復(fù),試分析其原因。提示 滴灌能夠補充水分,葉片蒸騰作用加強,葉片溫度降低,減少了高溫對葉綠體的破壞。
考向一 圍繞光合速率和呼吸速率,考查科學(xué)思維1.從葡萄試管苗上分別剪取帶有上位葉、中位葉和下位葉的莖段,轉(zhuǎn)接到培養(yǎng)瓶中,在不同溫度條件下培養(yǎng)4 h,測定不同葉位葉片的CO2吸收速率,結(jié)果如下圖。由圖不能得出的結(jié)論是(  )A.隨溫度升高,不同葉位葉片的CO2吸收速率先升后降B.35 ℃時中位葉和下位葉的真正(總)光合速率相等C.不同葉位的葉片在上述溫度下均能積累有機物D.上位葉對高溫的耐受力較中、下位葉片差
解析 由圖可知,隨著溫度升高(15~25 ℃),不同葉位葉片的CO2吸收速率升高,在25~35 ℃,不同葉位葉片的CO2吸收速率下降,A項正確;圖中只能看出不同葉位葉片的CO2吸收速率,不知道不同葉位葉片的呼吸速率,無法計算總光合速率,B項錯誤;分析題圖可知,不同葉位的葉片在上述溫度下CO2吸收速率始終大于零,說明凈光合作用大于零,均能積累有機物,C項正確;分析題圖可知,上位葉在高溫條件下CO2吸收速率下降顯著,說明上位葉對高溫的耐受力較中、下位葉片差,D項正確。
2.(2024·廣東東莞模擬)為探究不同條件對植物光合速率和呼吸速率的影響,用8株各有20片葉片、大小長勢相似的某盆栽植株,分別放在密閉的玻璃容器中,在不同條件下利用傳感器定時測定密閉容器中CO2的含量。實驗結(jié)果統(tǒng)計如下表,下列敘述正確的是(  )
A.由表判定,該植株細(xì)胞呼吸的最適溫度是30 ℃B.由表判定,植物積累有機物最多的是第6組實驗C.40 ℃時植物光合作用速率可用CO2變化量表示為3.8 g/hD.30 ℃時植物光合作用產(chǎn)生的NADPH最多
解析 細(xì)胞呼吸最適溫度的判斷應(yīng)該在黑暗條件下,表格中2、4、6、8組都是測呼吸速率的組,其中CO2增加最多的6組,即30 ℃呼吸速率最大,但該溫度不一定是該植株細(xì)胞呼吸的最適溫度,A項錯誤;植物積累有機物最多也就是凈光合速率最大的組12 h后CO2量最少,故植物積累有機物最多的是第7組實驗,B項錯誤;40 ℃時植物光合作用速率可用CO2變化量表示為(3.3+0.5)÷12≈0.32(g/h),C項錯誤;光合速率=呼吸速率(光照為0時,CO2增加量)+凈光合速率(光照時,CO2減少量),據(jù)表格可知,10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃條件下,12 h CO2總消耗量(可表示光合速率大小)分別為0.6 g、1.9 g、4.4 g、3.8 g,因此30 ℃時植物光合作用產(chǎn)生的NADPH最多,光反應(yīng)最強,D項正確。
考向二 圍繞不同環(huán)境中一晝夜內(nèi)光合速率曲線分析,考查科學(xué)思維3.(2024·湖南岳陽模擬)長葉刺葵是一種棕櫚科植物,下圖為某研究小組在水分充足的條件下測得長葉刺葵24 h內(nèi)光合作用強度的曲線,下列有關(guān)曲線的描述,錯誤的是(  )A.大約18:00有機物積累量最多B.14:00以后a、b均下降的原因是光照強度減弱C.曲線a表示總光合作用強度,曲線b表示凈光合作用強度D.10:00以后曲線b下降的原因是溫度高,葉片的部分氣孔關(guān)閉,CO2供應(yīng)不足
解析 由圖可知,大約18:00 CO2吸收速率為0,即總光合速率等于呼吸速率,此后細(xì)胞呼吸速率大于光合速率,消耗有機物,故大約18:00有機物積累量最多,A項正確;14:00以后a、b均下降的原因是隨著時間推移,光照強度減弱導(dǎo)致光反應(yīng)減弱,進而影響暗反應(yīng)中CO2的利用,B項正確;曲線a為CO2的消耗速率,代表總光合作用強度, 曲線b為CO2吸收速率,CO2吸收速率=光合作用消耗CO2速率-細(xì)胞呼吸產(chǎn)生CO2速率,故曲線b代表的是凈光合作用強度,C項正確;10:00以后圖中曲線b下降,CO2吸收速率下降,凈光合速率下降,但是CO2的消耗速率增加,總光合速率增大(故葉片的氣孔沒有關(guān)閉,CO2供應(yīng)還是比較充足),說明呼吸速率加快,D項錯誤。
考點三 細(xì)胞呼吸和光合作用的相關(guān)實驗設(shè)計與分析
光合速率與呼吸速率的探究方法(1)“液滴移動”法
①將某植物(甲裝置)置于黑暗中一定時間,記錄紅色液滴移動的距離,計算呼吸速率。②將同一植物(乙裝置)置于光下一定時間,記錄紅色液滴移動的距離,計算凈光合速率。③根據(jù)呼吸速率和凈光合速率可計算得到總光合速率。
(2)黑白瓶法“黑白瓶”法可通過凈光合作用強度和有氧呼吸強度推算總光合作用強度。其中“黑瓶”不透光,測定的是有氧呼吸量;“白瓶”給予光照,測定的是凈光合作用量,可分為有初始值與沒有初始值兩種情況,規(guī)律如下。規(guī)律1:有初始值的情況下,黑瓶中O2的減少量(或CO2的增加量)為有氧呼吸量;白瓶中O2的增加量(或CO2的減少量)為凈光合作用量;二者之和為總光合作用量。規(guī)律2:沒有初始值的情況下,白瓶中測得的現(xiàn)有量與黑瓶中測得的現(xiàn)有量之差即總光合作用量。
(3)半葉法將植物對稱葉片的一部分(A)遮光或取下置于暗處,另一部分(B)則留在光下進行光合作用(即不做處理),并采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄗ柚箖刹糠值奈镔|(zhì)和能量轉(zhuǎn)移。一定時間后,在這兩部分葉片的對應(yīng)部位截取同等面積的葉片,分別烘干稱重,記為MA、MB,開始時二者相應(yīng)的有機物含量應(yīng)視為相等,照光后的葉片重量大于暗處的葉片重量,超過部分即為光合作用產(chǎn)物的量,再通過計算可得出光合速率。
1.為研究環(huán)境因素對某植物光合作用強度的影響,設(shè)計圖甲實驗裝置若干組(密閉小室內(nèi)的CO2充足,光照不影響溫度變化),在相同溫度下進行一段時間后,測量每個小室中的氣體釋放量,繪制曲線圖乙。下列說法正確的是(  )A.當(dāng)距離小于a時,限制光合作用的主要因素是光照強度B.當(dāng)距離為b、d時,光合速率相等C.當(dāng)距離為c時,該植物葉肉細(xì)胞的光合速率小于呼吸速率D.當(dāng)距離由a突然變?yōu)閏時,短時間內(nèi)葉綠體中C3的含量增加
解析 由曲線圖可知,Oa段氣體釋放量不變,因此當(dāng)距離小于a時,限制光合作用的因素不是光照強度,A項錯誤;當(dāng)距離為b時,光合速率大于呼吸速率,當(dāng)距離為d時,光合速率小于呼吸速率,兩者的光合速率不相等,B項錯誤;該實驗測量的是整個植株的氣體釋放速率,當(dāng)距離為c時,整個植株的光合速率等于呼吸速率,而有一部分植物細(xì)胞不能進行光合作用只可以進行細(xì)胞呼吸,所以葉肉細(xì)胞中的光合速率大于呼吸速率,C項錯誤;當(dāng)距離由a突然變?yōu)閏時,光照強度減弱,NADPH和ATP的生成速率減慢,C3的還原速率減小,而C3的生成速率不變,故短時間內(nèi)葉綠體中C3的含量增加,D項正確。
2.研究者將對稱葉片一半遮光,另一半照光處理。經(jīng)過一段時間后,在對稱部位截取同等面積(實驗處理前干重相同)的葉片,烘干稱重,用于相關(guān)速率的計算。不考慮光照條件對葉片呼吸速率的影響,下列說法正確的是(  )A.遮光處理后葉綠體基質(zhì)中C3的含量比照光處理后低B.照光處理時類囊體薄膜上可發(fā)生NADP+與電子和H+結(jié)合C.照光處理與遮光處理后葉片的干重差是細(xì)胞呼吸引起的D.要計算光合作用速率還需測定同等面積葉片的初始干重
解析 遮光后,光反應(yīng)停止,短時間內(nèi)C3被還原成C5的過程減弱直至停止,而C5固定CO2的過程仍能繼續(xù),故遮光后C3含量會比照光時的C3含量高,A項錯誤;照光處理時類囊體薄膜上可產(chǎn)生NADPH,故可發(fā)生NADP+與電子和H+結(jié)合,B項正確;照光處理后與遮光處理后葉片的干重差(單位時間內(nèi))是真正光合作用速率,因此不需要測定同等面積葉片的初始干重,C、D兩項錯誤。
3.下表是采用黑、白瓶(不透光瓶、可透光瓶)測定夏季某池塘不同深度水體中初始平均氧濃度與24小時后平均氧濃度,并比較計算后的數(shù)據(jù)。下列有關(guān)分析正確的是(  )
A.水深1 m處,白瓶中水生植物24小時制造的氧氣量為3 g/m3B.水深2 m處,白瓶中植物光合速率等于呼吸速率C.水深3 m處,白瓶中產(chǎn)生ATP的細(xì)胞器是葉綠體和線粒體D.水深4 m處,白瓶和黑瓶中的水生植物均不進行光合作用
解析 在水深1 m處,白瓶中水生植物24小時制造的氧氣量為3+1.5=4.5(g/m3),A項錯誤;水深2 m處,白瓶中植物凈光合速率為1.5 g/m3,光合速率大于呼吸速率,B項錯誤;水深3 m處,白瓶中水生植物光合作用產(chǎn)生的氧氣量與細(xì)胞呼吸消耗的氧氣量相等,即植物的光合速率等于呼吸速率,因此產(chǎn)生ATP的細(xì)胞器是葉綠體和線粒體,C項正確;在水深4 m處,白瓶中水生植物24小時制造的氧氣量為-1+1.5=0.5(g/m3),白瓶中的水生植物能進行光合作用,D項錯誤。
1.(2021·遼寧卷)植物工廠是通過光調(diào)控和通風(fēng)控溫等措施進行精細(xì)管理的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),常采用無土栽培技術(shù)。下列有關(guān)敘述錯誤的是(  )A.可根據(jù)植物生長特點調(diào)控光的波長和光照強度B.應(yīng)保持培養(yǎng)液與植物根部細(xì)胞的細(xì)胞液濃度相同C.合理控制晝夜溫差有利于提高作物產(chǎn)量D.適時通風(fēng)可提高生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的CO2濃度
解析 不同植物對光的波長和光照強度的需求不同,可根據(jù)植物生長特點調(diào)控光的波長和光照強度,A項正確;為保證植物的根能夠正常吸收水分,該系統(tǒng)應(yīng)控制培養(yǎng)液的濃度小于植物根部細(xì)胞的細(xì)胞液濃度,B項錯誤;適當(dāng)提高白天的溫度可以促進光合作用的進行,讓植物合成更多的有機物,而夜晚適當(dāng)降溫則可以抑制其呼吸作用,使有機物分解減少,有利于提高作物產(chǎn)量,C項正確;適時通風(fēng)可提高生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的CO2濃度,進而提高光合作用的速率,D項正確。
2.(2022·廣東卷)研究者將玉米幼苗置于三種條件下培養(yǎng)10 d后(圖1),測定相關(guān)指標(biāo)(圖2),探究遮陰比例對植物的影響。
回答下列問題。(1)結(jié)果顯示,與A組相比,C組葉片葉綠素含量     ,原因可能是                   。?(2)比較圖2中B1與A組指標(biāo)的差異,并結(jié)合B2相關(guān)數(shù)據(jù),推測B組的玉米植株可能會積累更多的        ,因而生長更快。?
遮陰條件下可合成較多的葉綠素
(3)某興趣小組基于上述B組條件下玉米生長更快的研究結(jié)果,作出該條件可能會提高作物產(chǎn)量的推測,由此設(shè)計了初步實驗方案進行探究。實驗材料:選擇前期     一致、生長狀態(tài)相似的某玉米品種幼苗90株。實驗方法:按圖1所示的條件,分A、B、C三組培養(yǎng)玉米幼苗,每組30株;其中以    為對照,并保證除      外其他環(huán)境條件一致。收獲后分別記錄各組玉米的籽粒質(zhì)量。?結(jié)果統(tǒng)計:比較各組玉米的平均單株產(chǎn)量。分析討論:如果提高玉米產(chǎn)量的結(jié)論成立,下一步探究實驗的思路是                   。?
探究能提高作物產(chǎn)量的最適遮陰比例
解析 由圖1可知,A組未遮陰,B組植株一半遮陰(50%遮陰),C 組全遮陰(100%遮陰)。(1)由圖2可知,培養(yǎng)10 d后,A組葉綠素含量為4.2 mg/dm2,C組葉綠素含量為4.7 mg/dm2,原因可能是遮陰條件下,植物合成較多的葉綠素,從而吸收較多的光能。(2)由圖2中B 1組葉綠素含量為5.3 mg/dm2,B2組葉綠素含量為3.9 mg/dm2, A組葉綠素含量為4.2 mg/dm2;B1組凈光合速率為20.5 μml CO2/(m2·s),B2組凈光合速率為7.0 μml CO2/(m2·s),A 組凈光合速率為 11.8 μml CO2/(m2·s),可推測B組玉米植株的總?cè)~綠素含量為(5.3+3.9)/2=4.6 (mg/dm2),凈光合速率為(20.5+7.0)/2=13.75 (μml CO2·m-2·s-1),兩項數(shù)據(jù)顯示B組均高于A組,推測B組可能會積累更多的糖類等有機物,因而生長更快。
(3)分析題意可知,該實驗的目的是探究B組條件下是否會提高作物產(chǎn)量。該實驗的自變量為玉米遮陰程度,因變量為作物產(chǎn)量,可用籽粒質(zhì)量表示。由于實驗中無關(guān)變量應(yīng)保持相同且適宜,故實驗設(shè)計如下。實驗材料:選擇前期光照條件一致、生長狀態(tài)相似的某玉米品種幼苗90 株。實驗方法:按圖1所示條件,分為 A、B、C 三組培養(yǎng)玉米幼苗,每組30株;其中以A組為對照,并保證除遮陰條件外其他環(huán)境條件一致,收獲后分別記錄各組玉米的籽粒質(zhì)量。結(jié)果統(tǒng)計:比較各組玉米的平均單株產(chǎn)量。分析討論:如果B組遮陰條件下能提高作物產(chǎn)量,則下一步需要探究能提高作物產(chǎn)量的最適遮陰比例。

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