第2講 光合作用與細胞呼吸
考點1 細胞呼吸
(1)本質:細胞內氧化分解有機物,釋放能量,合成ATP。 呼吸作用釋放的能量,一部分合成ATP,其余以熱能的形式散失。(2)有氧呼吸①場所:線粒體、細胞質基質②過程:C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+能量
(3)無氧呼吸①場所:細胞質基質②過程:C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+少量能量
酵母菌、乳酸菌等微生物的無氧呼吸也叫發(fā)酵。產生酒精的叫酒精發(fā)酵,產生乳酸的叫乳酸發(fā)酵。 有氧呼吸和無氧呼吸第一階段完全相同;無氧呼吸只有第一階段釋放能量,第二階段不釋放能量,能量儲存在酒精或乳酸中。 大多數(shù)生物既能進行有氧呼吸也能進行短時間無氧呼吸,但好氧細菌(如醋酸菌、硝化細菌等)只能進行有氧呼吸;而厭氧細菌(如乳酸菌、破傷風桿菌等)只能進行無氧呼吸。
(4)探究酵母菌的呼吸方式 酵母菌:兼性厭氧菌,有氧和無氧條件下都能生存。有氧條件下主要是進行自身繁殖;無氧條件下進行酒精發(fā)酵。 檢測CO2的產生:用澄清石灰水或溴麝香草酚藍水溶液檢測,現(xiàn)象分別為變渾濁或由藍變綠再變黃。 檢測酒精的產生:用橙色的重鉻酸鉀溶液,在酸性條件下與酒精發(fā)生化學反應,變成灰綠色(橙色→灰綠色)。
(5)影響呼吸作用的因素:溫度、O2濃度、CO2濃度和含水量等。①溫度:溫度主要是通過影響酶的活性來影響呼吸作用。②氧氣濃度:
(6)呼吸作用的應用 農作物長時間水淹,會出現(xiàn)爛根或黑根現(xiàn)象,原因是:長時間水淹,土壤缺氧,根細胞進行無氧呼吸產生了酒精,酒精會毒害根細胞,從而出現(xiàn)爛根或黑根現(xiàn)象。 蘋果等水果放久了內部會腐爛且切開后有酒味,原因是:蘋果等水果的內部細胞缺氧進行無氧呼吸產生了酒精,酒精使蘋果內部腐爛。 中耕松土或適時排水的目的:增加土壤中的氧氣,促進根有氧呼吸,促進能量的產生,有利于根對無機鹽的吸收。 用酵母菌進行面包發(fā)酵的原理是:酵母菌有氧呼吸產生CO2,CO2能使面包變松軟。 釀酒前期需通入氧氣,后期密封的原因是:前期通入氧氣有利于酵母菌進行繁殖,增加酵母菌的數(shù)量;后期密封有利于酵母菌進行酒精發(fā)酵。 傷口包扎要用透氣的紗布或創(chuàng)可貼的原因是:防止破傷風桿菌等厭氧菌的感染。
(1)綠葉中色素的提取與分離實驗 實驗原理:①提取色素的試劑:無水乙醇。②分離色素的試劑:層析液。③分離色素的方法:紙層析法。不同色素在層析液的溶解度不同,溶解度大的在濾紙條上的擴散快。 注意事項:①SiO2作用:使研磨充分。CaCO3作用:防止色素被破壞。②濾液細線不能觸及層析液,原因是:色素會溶解于層析液。
實驗結果 濾紙條上的色素帶由上到下的色素名稱依次是:胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a、葉綠素b。含量最多的色素是:葉綠素a。含量最少的色素是:胡蘿卜素。 葉綠素主要吸收藍紫光、紅光;類胡蘿卜素主要吸收藍紫光。
總反應式:CO2+H2O (CH2O)+O2
(3)影響光合作用的外界因素:光照強度、CO2濃度、溫度、水等。光合作用強度(光合速率):指植物在單位時間內通過光合作用制造的有機物數(shù)量(或固定的CO2量或產生的O2量)。CO2+H2O (CH2O)+O2
總光合速率:常用有機物制造量、CO2固定量和O2產生量來表示。 凈光合速率:常用有機物積累量、CO2吸收量和O2釋放量來表示。
①光照強度:A:光照強度為0,只進行呼吸作用。B(光補償點):光合速率=呼吸速率。C(光飽和點):光合速率達到最大值。AB段:光合速率呼吸速率。C點以后光合速率不再隨光照強度增大而增大,限制的主要因素是CO2濃度、含水量、酶和色素的數(shù)量等有限。 B 點以后,植物才能正常生長。
②二氧化碳濃度:在一定范圍內,光合速率隨CO2濃度的增大而增大,但當CO2增大到一定濃度后,光合速率不再隨CO2濃度的增大而增大,限制的主要因素是光照強度、含水量、酶和色素的數(shù)量等。③溫度:溫度可通過影響酶的活性來影響光合作用。
夏天:晴朗白天溫度較高時光合速率會下降,原因是:溫度過高,氣孔會關閉,CO2供應會減少,從而使光合速率下降。 大棚蔬菜種植白天適當提高溫度,晚上適當降低溫度,原因是:白天適當提高溫度有利于光合作用制造有機物,晚上適當降低溫度能降低細胞呼吸減少有機物的消耗,從而有利于植物有機物的積累。
(4)化能合成作用:生物利用體外環(huán)境中的某些無機物氧化所釋放的能量來制造有機物的過程。 化能合成作用與光合作用的主要區(qū)別:能量的來源不同。 化能合成作用利用的是無機物氧化釋放的化學能,光合作用利用的是太陽能。 化能合成生物:硝化細菌、硫細菌等。
典例示范一(2020·全國Ⅰ卷)種子貯藏中需要控制呼吸作用以減少有機物的消耗。若作物種子呼吸作用所利用的物質是淀粉分解產生的葡萄糖,下列關于種子呼吸作用的敘述,錯誤的是(　　)A.若產生的CO2與乙醇的分子數(shù)相等,則細胞只進行無氧 呼吸B.若細胞只進行有氧呼吸,則吸收O2的分子數(shù)與釋放CO2 的分子數(shù)相等C.若細胞只進行無氧呼吸且產物是乳酸,則無O2吸收也無 CO2釋放D.若細胞同時進行有氧和無氧呼吸,則吸收O2的分子數(shù)比 釋放CO2的分子數(shù)多
【答案】　D【重點歸納】　重點掌握有氧呼吸、酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵的過程、反應物、產物和反應式。C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O+能量C6H12O6 2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量C6H12O6 2C3H6O3(乳酸)+少量能量呼吸底物是葡萄糖時,若只進行有氧呼吸,則消耗的氧氣=生成的二氧化碳量;若只進行無氧呼吸,當呼吸產物是酒精時,生成的酒精量=生成的二氧化碳量。
【詳解】　若二氧化碳的生成量=酒精的生成量,則說明不消耗氧氣,故只進行無氧呼吸,A正確;若只進行有氧呼吸,則消耗的氧氣量=生成的二氧化碳量,B正確;若只進行無氧呼吸,說明不消耗氧氣,產乳酸的無氧呼吸不會產生二氧化碳,C正確;若同時進行有氧呼吸和無氧呼吸,若無氧呼吸產酒精,則消耗的氧氣量小于二氧化碳的生成量,若無氧呼吸產乳酸,則消耗的氧氣量=二氧化碳的生成量,D錯誤。
變式訓練一1.(2022·深圳一模)在馬拉松比賽時,人體骨骼肌細胞需要消耗大量能量。此時關于人體內呼吸作用產物的推斷,最合理的是(　　)A.乳酸B.酒精、二氧化碳和水C.水和二氧化碳D.乳酸、二氧化碳和水
【答案】　D【詳解】　人體劇烈運動時,肌肉細胞消耗能量較多,既進行有氧呼吸,又進行無氧呼吸,有氧呼吸的產物有水、二氧化碳和ATP,無氧呼吸的產物有乳酸和ATP,故肌肉細胞呼吸作用的產物有水、二氧化碳、乳酸和ATP。
2.(2021·全國甲卷)某同學將酵母菌接種在馬鈴薯培養(yǎng)液中進行實驗,不可能得到的結果是(　　)A.該菌在有氧條件下能夠繁殖B.該菌在無氧呼吸的過程中無丙酮酸產生C.該菌在無氧條件下能夠產生乙醇D.該菌在有氧和無氧條件下都能產生CO2
【答案】　B【詳解】　酵母菌有細胞核,是真菌生物,其代謝類型是異養(yǎng)兼性厭氧型,與無氧條件相比,在有氧條件下,產生的能量多,酵母菌的增殖速度快,A不符合題意;酵母菌無氧呼吸在細胞質基質中進行,無氧呼吸第一階段產生丙酮酸、還原氫,并釋放少量的能量,第二階段丙酮酸被還原氫還原成乙醇,并生成二氧化碳,B符合題意,C不符合題意;酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸都在第二階段生成CO2,D不符合題意。
典例示范二(2021·廣東卷)為積極應對全球氣候變化,我國政府在2020年的聯(lián)合國大會上宣布,中國于2030年前確保碳達峰(CO2排放量達到峰值),力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和(CO2排放量與減少量相等)。這是中國向全世界的鄭重承諾,彰顯了大國擔當?；卮鹣铝袉栴}:(1)在自然生態(tài)系統(tǒng)中,植物等從大氣中攝取碳的速率與生物的呼吸作用和分解作用釋放碳的速率大致相等,可以自我維持　　　 　　。自西方工業(yè)革命以來,大氣中CO2的濃度持續(xù)增加,引起全球氣候變暖,導致的生態(tài)后果主要是____________　 。?
碳平衡(CO2平衡)　 極地冰雪和高山冰川融化、海平面上升等
【詳解】　在自然生態(tài)系統(tǒng)中,植物光合作用攝取碳的速率與生物的呼吸作用和微生物的分解作用釋放碳的速率大致相等。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,人類大量燃燒煤、石油等化學燃料,使地層中經過千百萬年而積存的碳元素,在很短的時間內釋放出來,打破了生物圈中的碳平衡,使大氣中的CO2濃度迅速增加,引起全球氣候變暖,導致極地冰雪和高山冰川融化、海平面上升等嚴重的生態(tài)后果。
(2)生態(tài)系統(tǒng)中的生產者、消費者和分解者獲取碳元素的方式分別是　 ,消費者通過食物網(鏈)取食利用,　 。?
生產者通過光合作用或化能合成作用　 分解者通過分解作用
【詳解】　生產者主要通過光合作用和化能合成作用獲取碳元素,從而碳元素將通過生產者進入生態(tài)系統(tǒng),消費者通過攝食生產者和低營養(yǎng)級的消費者來獲取碳元素,分解者通過分解生產者的遺體殘骸和消費者的糞便、遺體殘骸來獲取碳元素。消費者通過食物網(鏈)取食利用,從而將碳元素以含碳有機物的形式進行傳遞。
(3)全球變暖是當今國際社會共同面臨的重大問題,從全球碳循環(huán)的主要途徑來看,減少　　　　 　和增加________　　　　　 是實現(xiàn)碳達峰和碳中和的重要舉措。
碳釋放(CO2排放量)　 碳攝取(CO2攝取量)
【重點歸納】　光合作用及細胞呼吸通常會結合碳循環(huán)失衡,即全球氣候變暖這個熱點環(huán)境問題一起考查,主要考查光合作用的過程、場所、影響因素和光合作用在維持碳平衡中的作用?！驹斀狻俊∪蜃兣钱斀駠H社會共同面臨的重大問題,從全球碳循環(huán)的主要途徑來看,解決全球變暖問題,一方面是從源頭上減少二氧化碳的排放,主要是通過減少化石燃料的燃燒、開發(fā)新能源等來減少二氧化碳排放;另一方面是增加二氧化碳的去路,主要有植樹造林、退耕還林、擴大森林面積、保護森林等。因此,增加碳攝取和減少碳釋放是實現(xiàn)碳達峰和碳中和的重要舉措。
變式訓練二1.(2021·廣州一模)森林碳匯一般指植物把大氣中的CO2以生物量的形式固定在植被和土壤中,從而減少大氣中CO2濃度的過程?；卮鹣铝袉栴}:(1)CO2被植物吸收后,經光合作用的　　　　過程轉化成有機物并儲存于植物中。?上述過程所需的ATP和[H]的合成場所是葉綠體的　　　　　。除光合作用外,森林碳匯還受植物的　　 　　　(填生理作用)的影響。?
類囊體膜　 細胞呼吸(呼吸作用)
【詳解】　光合作用分為光反應和暗反應兩個階段,CO2 被植物吸收后,經光合作用暗反應過程轉化成有機物并儲存于植物中; ATP和[H]是在光反應過程中產生的,場所是葉綠體的類囊體膜上。除光合作用外,森林碳匯還受植物呼吸作用的影響。
(2)每年5月至9月是我國植物的快速生長期。該期間促進植物快速生長的非生物因素主要包括? 　。?
【詳解】　影響植物光合作用的外界因素主要有光照強度、CO2濃度、溫度、水等,5月至9月光照強度較強、溫度較高,能加快植物的光合速率,促進植物快速生長。
(3)近40年來,我國森林面積持續(xù)增長,其中的中幼齡森林正成為森林碳匯的主力軍。若要增加某地的森林碳匯,可采取的措施有_______________? 　(寫出2點)。?
植樹造林、禁止亂砍濫伐
【詳解】　森林碳匯一般指植物把大氣中的CO2以生物量的形式固定在植被和土壤中,從而減少大氣中CO2濃度的過程,要增加某地的森林碳匯,可以通過植樹造林、禁止亂砍濫伐等增強光合作用從而減少大氣中CO2濃度。
2.氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)密切相關。下表為A、B兩個不同時期陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣環(huán)境的碳交換情況。
(1)生態(tài)系統(tǒng)中碳的吸收主要是通過　 　作用實現(xiàn)的,碳的釋放主要是通過　　　作用實現(xiàn)的。?
【詳解】　生態(tài)系統(tǒng)中碳的吸收有光合作用和化能合成作用,主要是光合作用;碳的釋放有化石燃料的燃燒、細胞呼吸等,生態(tài)系統(tǒng)中主要是通過呼吸作用實現(xiàn)的。
【詳解】　A時期:碳的吸收量=碳的釋放量;B時期:碳的吸收量

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