一、光合作用與有氧呼吸的內(nèi)在關(guān)系典例剖析1.下列關(guān)于葉綠體和線粒體的敘述,正確的是(　　)A.在葉綠體中可發(fā)生CO2→C3→C6H12O6的變化,在線粒體中則會(huì)發(fā)生C6H12O6→C3→CO2的變化B.NADPH在葉綠體中隨水的光解而產(chǎn)生,NADH在線粒體中隨水的生成而產(chǎn)生C.光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能發(fā)生在葉綠體中,化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能發(fā)生在線粒體中D.都具有較大的膜面積和復(fù)雜的酶系統(tǒng),有利于新陳代謝高效有序地進(jìn)行
葡萄糖分解為丙酮酸是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行的,而不是在線粒體內(nèi)進(jìn)行的,A項(xiàng)錯(cuò)誤。NADPH在葉綠體中隨水的光解而產(chǎn)生,線粒體中隨水的生成而消耗NADH,B項(xiàng)錯(cuò)誤。線粒體中發(fā)生的能量變化是有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能和ATP中的化學(xué)能,并不能發(fā)生化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能,C項(xiàng)錯(cuò)誤。葉綠體內(nèi)有很多基粒,線粒體內(nèi)膜的某些部位向內(nèi)腔折疊形成嵴,使葉綠體和線粒體都具有較大的膜面積和復(fù)雜的酶系統(tǒng),有利于新陳代謝高效有序地進(jìn)行,D項(xiàng)正確。
2.某生物研究小組在密閉恒溫玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行植物栽培實(shí)驗(yàn),連續(xù)48 h測(cè)定溫室內(nèi)CO2含量及植物的CO2吸收速率,得到下圖所示曲線(整個(gè)過(guò)程呼吸速率恒定)。據(jù)圖分析,下列敘述正確的是(　　)A.圖中植物呼吸速率與光合速率相等的時(shí)間點(diǎn)有3個(gè)B.綠色植物的CO2吸收速率達(dá)到最大的時(shí)刻是第45小時(shí)C.實(shí)驗(yàn)開始的前24 h比后24 h的平均光照強(qiáng)度弱D.實(shí)驗(yàn)全過(guò)程葉肉細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ATP的場(chǎng)所是線粒體和葉綠體
呼吸速率與光合速率相等時(shí),植物從外界吸收CO2的速率為0,所以呼吸速率與光合速率相等的時(shí)間點(diǎn)有4個(gè),即第6小時(shí)、第18小時(shí)、第30小時(shí)、第42小時(shí),A項(xiàng)錯(cuò)誤。葉綠體利用CO2速率最大的時(shí)刻是CO2吸收速率曲線的最高點(diǎn),即第36小時(shí),B項(xiàng)錯(cuò)誤。由溫室內(nèi)CO2含量曲線及CO2吸收速率曲線可知,第24小時(shí)溫室內(nèi)CO2含量與初始時(shí)相等;第48小時(shí)溫室內(nèi)CO2含量比第24小時(shí)低,所以前24 h比后24 h的平均光照強(qiáng)度弱,C項(xiàng)正確。由曲線可知,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有些時(shí)段植物既進(jìn)行光合作用,又進(jìn)行細(xì)胞呼吸,所以葉肉細(xì)胞產(chǎn)生ATP的場(chǎng)所有細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體和葉綠體,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
要點(diǎn)整合1.光合作用與細(xì)胞呼吸中的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化(1)物質(zhì)轉(zhuǎn)化
注呼吸Ⅰ表示有氧呼吸的第一階段或無(wú)氧呼吸的第一階段,呼吸Ⅱ、Ⅲ分別表示有氧呼吸的第二、第三階段。
2.光合速率與呼吸速率(1)呼吸速率的表示方法:將植物置于黑暗環(huán)境中或選用非綠色組織,測(cè)定實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)CO2增加量、O2減少量或有機(jī)物減少量。(2)凈光合速率和真正光合速率。①凈光合速率:常用單位時(shí)間內(nèi)單位面積的葉片O2釋放量、CO2吸收量或有機(jī)物積累量表示。②真正光合速率:常用單位時(shí)間內(nèi)單位面積的葉片O2產(chǎn)生量、CO2固定量或有機(jī)物產(chǎn)生量表示。
(3)光合速率與呼吸速率的關(guān)系:真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率。若用O2、CO2或葡萄糖的量表示可得以下關(guān)系式。①光合作用產(chǎn)氧量=O2釋放量+細(xì)胞呼吸消耗的O2量。②光合作用固定CO2量=CO2吸收量+細(xì)胞呼吸釋放的CO2量。③光合作用葡萄糖產(chǎn)生量=葡萄糖積累量(增重部分)+細(xì)胞呼吸消耗的葡萄糖量。
(4)各點(diǎn)(段)光合作用和細(xì)胞呼吸分析。
3.有機(jī)物的變化曲線及密閉環(huán)境中一晝夜CO2含量的變化曲線(1)用曲線表示綠色植物一晝夜有機(jī)物的制造、消耗與積累。①典型圖示②曲線解讀a.積累有機(jī)物時(shí)間段:CE段(不包括C、E兩點(diǎn))。b.制造有機(jī)物時(shí)間段:BF段(不包括B、F兩點(diǎn))。c.消耗有機(jī)物時(shí)間段:OG段。d.一天中有機(jī)物積累最多的時(shí)間點(diǎn):E點(diǎn)。e.一晝夜有機(jī)物的積累量:SP-SM-SN(SP、SM、SN分別表示P、M、N的面積)。
(2)在相對(duì)密閉的環(huán)境中,一晝夜CO2含量變化曲線圖和O2含量變化曲線圖的比較。
即時(shí)演練1.下圖表示的是北方某作物植株一晝夜CO2吸收量的變化。圖甲為盛夏的某一晴天,圖乙為春天的某一晴天。下列關(guān)于兩圖的相關(guān)原因的分析,錯(cuò)誤的是(　　)A.適當(dāng)提高溫度可以增加OA的絕對(duì)值B.圖甲中有機(jī)物積累最多的是G點(diǎn),兩圖中植物B點(diǎn)時(shí)的干重均低于A點(diǎn)時(shí)的干重C.兩圖中DE段葉綠體中C3含量均大大減少D.圖甲中E點(diǎn)和G點(diǎn)相比,E點(diǎn)葉綠體中的ATP含量較多
據(jù)題圖分析可知,有機(jī)物總積累量可用曲線與橫軸圍成的有關(guān)面積表示。適當(dāng)提高溫度可提高細(xì)胞呼吸強(qiáng)度,A項(xiàng)正確。G點(diǎn)光合作用強(qiáng)度等于細(xì)胞呼吸強(qiáng)度,之后細(xì)胞呼吸強(qiáng)度大于光合作用強(qiáng)度,故有機(jī)物積累最多的是G點(diǎn),兩圖中AB段只進(jìn)行細(xì)胞呼吸,故植物B點(diǎn)時(shí)的干重均低于A點(diǎn)時(shí)的干重,B項(xiàng)正確。圖甲DE段,光照強(qiáng),氣溫高,為減少蒸騰作用散失水分,氣孔關(guān)閉,導(dǎo)致CO2供應(yīng)不足,光合作用速率略有下降,C3合成減少,消耗未變,含量減少;圖乙DE段,光照強(qiáng)度減弱,光反應(yīng)減弱,導(dǎo)致光合作用強(qiáng)度減弱,C3合成不變,消耗減少,含量增加,C項(xiàng)錯(cuò)誤。圖甲中E點(diǎn)與G點(diǎn)相比,葉綠體中的ATP含量較多,D項(xiàng)正確。
2.下圖表示某植物葉肉細(xì)胞進(jìn)行光合作用和有氧呼吸的過(guò)程,其中甲~丁表示場(chǎng)所,a~d表示相關(guān)物質(zhì)。下列敘述正確的是(　　)A.a表示NADPH,該物質(zhì)與呼吸作用產(chǎn)生的[H]是同一物質(zhì)B.乙為葉綠體基質(zhì),該處主要發(fā)生CO2的固定和C3的還原過(guò)程C.d表示O2,在線粒體內(nèi)膜上與d結(jié)合的[H]都來(lái)自葡萄糖D.該葉肉細(xì)胞在夜間合成ATP數(shù)量最多的場(chǎng)所是丙
題圖中甲是葉綠體的類囊體薄膜,乙是葉綠體基質(zhì),丙是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì),丁是線粒體,a是NADPH,b是ATP,c是CO2,d是O2。光合作用產(chǎn)生的NADPH與呼吸作用產(chǎn)生的[H]不是同一物質(zhì),A項(xiàng)錯(cuò)誤。暗反應(yīng)包括CO2的固定和C3的還原兩個(gè)過(guò)程,主要發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中,B項(xiàng)正確。在線粒體內(nèi)膜上與O2結(jié)合的[H]最終來(lái)自葡萄糖和水,C項(xiàng)錯(cuò)誤。夜間葉肉細(xì)胞只能進(jìn)行細(xì)胞呼吸,細(xì)胞呼吸中合成ATP最多的是發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上的有氧呼吸第三階段,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
3.(不定項(xiàng)選擇題)為研究棉花去棉鈴(果實(shí))后對(duì)葉片光合作用的影響,研究者選取至少具有10個(gè)棉鈴的植株,去除一定數(shù)量的棉鈴,3 d后測(cè)定葉片的CO2固定速率以及蔗糖和淀粉含量(占葉片干重的比例),結(jié)果如下圖所示。
下列相關(guān)分析錯(cuò)誤的是(　　)A.由圖1可知,隨著去除棉鈴比例的增大,葉片光合速率逐漸下降B.本實(shí)驗(yàn)中對(duì)照組(空白對(duì)照組)植株CO2固定速率相對(duì)值是28C.由圖2可知,去除棉鈴后,植株葉片中淀粉和蔗糖的含量不一定增加D.綜合圖1、圖2結(jié)果可推測(cè),葉片光合產(chǎn)物的積累有利于光合作用
由題圖1可知,隨著去除棉鈴比例的增大,葉片光合速率(CO2固定速率相對(duì)值)逐漸下降,A項(xiàng)正確。本實(shí)驗(yàn)對(duì)照組是沒有去除棉鈴的植株,CO2固定速率相對(duì)值是28,B項(xiàng)正確。由題圖2可知,去除棉鈴后,植株葉片中淀粉和蔗糖的含量增加,C項(xiàng)錯(cuò)誤。去除棉鈴后,造成葉片光合產(chǎn)物積累,不利于光合作用的進(jìn)行,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
二、測(cè)定真正光合速率、凈光合速率和呼吸速率的常用方法及實(shí)驗(yàn)探究典例剖析某興趣小組設(shè)計(jì)了下圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置若干組,在室溫(25 ℃)下進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。下列關(guān)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裝置條件及結(jié)果的敘述,錯(cuò)誤的是(　　)A.若X溶液為CO2緩沖液并給予光照,則液滴移動(dòng)距離可表示凈光合作用強(qiáng)度大小B.若要測(cè)定真正光合作用強(qiáng)度,則需另加設(shè)一組裝置遮光處理,X溶液為NaOH溶液C.若X溶液為清水并給予光照,光合作用大于細(xì)胞呼吸時(shí),液滴右移D.若X溶液為清水并遮光處理,消耗的底物為脂肪時(shí),液滴左移
當(dāng)裝置給予光照時(shí),裝置內(nèi)植物既進(jìn)行光合作用也進(jìn)行細(xì)胞呼吸,CO2緩沖液可保持裝置內(nèi)CO2含量不變,那么液滴移動(dòng)距離即表示凈光合作用釋放O2的多少,A項(xiàng)正確。真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率,測(cè)定呼吸速率需另加設(shè)一組裝置遮光處理(不能進(jìn)行光合作用),為去除有氧呼吸產(chǎn)生的CO2的干擾,將X溶液更換為NaOH溶液,那么測(cè)得液滴移動(dòng)距離即為有氧呼吸消耗O2的量,B項(xiàng)正確。若X溶液為清水并給予光照,裝置內(nèi)植物光合作用吸收的CO2量=釋放的O2量,液滴不移動(dòng),C項(xiàng)錯(cuò)誤。若X溶液為清水并遮光處理,植物只進(jìn)行有氧呼吸,但由于消耗的底物為脂肪,其消耗O2的量大于產(chǎn)生CO2的量,液滴向左移動(dòng),D項(xiàng)正確。
要點(diǎn)整合測(cè)定真正光合速率、凈光合速率和呼吸速率的常用方法及實(shí)驗(yàn)探究(1)利用裝置法測(cè)定植物的光合速率與呼吸速率①將植物(裝置甲)置于黑暗中一定時(shí)間,記錄紅色液滴移動(dòng)的距離,計(jì)算呼吸速率。②將同一植物(裝置乙)置于光下一定時(shí)間,記錄紅色液滴移動(dòng)的距離,計(jì)算凈光合速率。③根據(jù)呼吸速率和凈光合速率可計(jì)算出真正光合速率。
(2)葉圓片稱量法測(cè)定單位時(shí)間、單位面積葉片中淀粉的生成量,如下圖所示,以有機(jī)物的變化量為指標(biāo)測(cè)定真正光合速率(S為葉圓片面積)。凈光合速率=(z-y)/2S;呼吸速率=(x-y)/2S;真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率=(x+z-2y)/2S。
(3)黑白瓶法“黑白瓶法”是通過(guò)凈光合作用強(qiáng)度和有氧呼吸強(qiáng)度推算總光合作用強(qiáng)度的方法,其中黑瓶不透光,測(cè)定的是有氧呼吸量;白瓶給予光照,測(cè)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;二者之和為真正光合作用量。再通過(guò)計(jì)算得出真正光合速率、凈光合速率和呼吸速率。規(guī)律2:沒有初始值的情況下,白瓶中測(cè)得的現(xiàn)有氣體量與黑瓶中測(cè)得的現(xiàn)有氣體量之差為真正光合作用量。再通過(guò)計(jì)算得出真正光合速率。
(4)半葉法將植物對(duì)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(jìn)行光合作用(即不做處理),并采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄗ柚箖刹糠诌M(jìn)行物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)移。一定時(shí)間后,在這兩部分葉片的對(duì)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(shí)二者相應(yīng)的有機(jī)物含量應(yīng)視為相等,照光的葉片質(zhì)量大于暗處的葉片質(zhì)量,超過(guò)部分即為光合作用產(chǎn)物的量,再通過(guò)計(jì)算可得出真正光合速率。
即時(shí)演練1.某同學(xué)欲測(cè)定植物葉片葉綠體的光合作用速率,進(jìn)行了下圖所示的實(shí)驗(yàn)。在葉柄基部做環(huán)剝處理(僅限制葉片有機(jī)物的輸入和輸出),在不同時(shí)間分別于同一葉片上陸續(xù)取下面積為1 cm2的葉圓片,烘干后稱其重量,測(cè)得葉片的光合作用速率=(3y-2z-x)/6[g/(cm2·h)](不考慮取葉圓片后對(duì)葉生理活動(dòng)的影響和溫度微小變化對(duì)葉生理活動(dòng)的影響)。則M處的實(shí)驗(yàn)條件是(　　)A.下午4時(shí)后將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置遮光3 hB.下午4時(shí)后將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置遮光6 hC.下午4時(shí)后在陽(yáng)光下照射1 hD.晚上8時(shí)后在無(wú)光下放置3 h
起始干重為上午10時(shí)移走的葉圓片干重x g,從上午10時(shí)到下午4時(shí),葉片在這6 h內(nèi)既進(jìn)行光合作用,又進(jìn)行細(xì)胞呼吸,所以下午4時(shí)移走的葉圓片干重(y g)減去上午10時(shí)移走時(shí)的葉圓片干重(x g)的差值,就等于該葉圓片凈光合作用產(chǎn)生干物質(zhì)的量(y-x)g。若要求出細(xì)胞呼吸消耗的干物質(zhì)量,應(yīng)將葉片遮光處理,先假設(shè)葉片遮光處理為a h后干重為z g,則細(xì)胞呼吸消耗干物質(zhì)量為(y-z) g。已知測(cè)得葉片的葉綠體光合作用速率為(3y-2z-x)/6[g/(cm2·h)],據(jù)真正光合速率=凈光合速率+呼吸速率,得出(3y-2z-x)/6 =(y-x)/6+(y-z)/a ,計(jì)算出a=3。
2.下表是采用黑白瓶(不透光瓶和可透光瓶)測(cè)定夏季某池塘不同深度水體中初始平均O2質(zhì)量濃度與24 h后平均O2質(zhì)量濃度,并比較計(jì)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 h制造的氧氣為 3 g/m3B.水深2 m處黑瓶中水生植物不能進(jìn)行水的光解,但能進(jìn)行C3的還原C.水深3 m處白瓶中水生植物產(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(jìn)行光合作用

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