步步高全国通用版高考生物一轮复习 第三单元 细胞的能量供应和利用 第10讲 光与光合作用Ⅰ.docx
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步步高全国通用版高考生物一轮复习第三单元细胞的能量供应和利用第10讲光与光合作用Ⅰ
第10讲光与光合作用(Ⅰ)
考点一 捕获光能的色素和叶绿体的结构
1.叶绿体的结构与功能
(1)结构模式图
(2)结构
↓决定
(3)功能:
进行光合作用的场所。
2.叶绿体中的色素及色素的吸收光谱
由图可以看出:
(1)叶绿体中的色素只吸收可见光,而对红外光和紫外光等不吸收。
(2)叶绿素对红光和蓝紫光的吸收量大,类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大,对其他波段的光并非不吸收,只是吸收量较少。
[诊断与思考]
1.判断下列说法的正误
(1)光合作用需要的色素和酶分布在叶绿体基粒和基质中( × )
(2)叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素( √ )
(3)叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同( √ )
(4)植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光( × )
(5)叶片黄化,叶绿体对红光的吸收增多( × )
2.为什么叶片一般呈现绿色?
提示 因为叶绿素对绿光吸收很少,绿光被反射出来,所以叶片呈现绿色。
3.为什么无色透明的大棚中植物的光合效率最高?
提示 无色透明大棚能透过日光中各种色光,有色大棚主要透过同色光,其他光被其吸收,所以无色透明的大棚中植物的光合效率最高。
4.如图是恩格尔曼实验装置改装示意图,光线先通过三棱镜再通过叶绿体色素提取液后照射玻片上的水绵,一段时间后,水绵周围好氧细菌分布无显著变化,请分析其原因。
提示 三棱镜将光分为七色光,叶绿体色素提取液主要吸收红光和蓝紫光,故透过三棱镜再通过叶绿体色素提取液后照射到水绵上的光,没有红光和蓝紫光,使水绵不同部位的光合作用变化不大,产生氧气的量大致相同,因此水绵周围好氧细菌分布无显著变化。
题组一 根据吸收光谱确定光合色素的功能
1.如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况。
据图判断,以下说法不正确的是( )
A.由图可知,类胡萝卜素主要吸收400~500nm波长的光
B.用450nm波长的光比600nm波长的光更有利于提高光合作用强度
C.由550nm波长的光转为670nm波长的光后,叶绿体中C3的量增加
D.土壤中缺乏镁时,植物对420~470nm波长的光的利用量显著减少
答案 C
解析 类胡萝卜素主要吸收400~500nm波长的光,A正确;据图可知,用450nm波长的光比600nm波长的光更有利于提高光合作用强度,B正确;由550nm波长的光转为670nm波长的光后,色素吸收光能增强,光反应增强,C3还原加速,叶绿体中C3的量将减少,C项错误;叶绿素b主要吸收420~470nm波长的光,缺镁时叶绿素合成减少,所以此波段的光的利用量显著减少,D正确。
2.将可见光通过三棱镜后照射到绿色植物叶片的某种色素提取液上,可获得该吸收光谱(图中的数字表示光的波长,单位为nm,暗带表示溶液吸收该波长的光后形成的光谱)。
则该色素是( )
A.类胡萝卜素B.叶黄素
C.胡萝卜素D.叶绿素a
答案 D
解析 叶绿体中的色素包括叶绿素和类胡萝卜素。
其中,叶绿素包括叶绿素a和叶绿素b,主要吸收红光和蓝紫光,类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素,主要吸收蓝紫
光。
从图中可以看出,该色素主要吸收了红光和蓝紫光,所以该色素为叶绿素a。
题组二 叶片颜色与其色素的相关性分析
3.某研究小组获得了水稻的叶黄素缺失突变体。
将其叶片进行了红光照射光吸收测定和色素层析条带分析(从上至下),与正常叶片相比,实验结果是( )
A.光吸收差异显著,色素带缺第2条
B.光吸收差异不显著,色素带缺第2条
C.光吸收差异显著,色素带缺第3条
D.光吸收差异不显著,色素带缺第3条
答案 B
解析 胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光,所以缺少叶黄素时对红光的吸收差异不显著;叶绿体中色素层析后色素带从上到下依次为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b,所以本题正确答案为B。
4.红枫是一种木本观赏植物,在生长季节叶片呈红色,下列关于该植物的叙述,正确的是( )
A.红枫叶片不含叶绿素
B.红枫叶片呈红色是因为吸收了红光
C.红枫叶片能吸收光能进行光合作用
D.液泡中色素吸收的光能用于光合作用
答案 C
解析 红枫叶片含叶绿素,可进行光合作用,红枫叶片呈红色是因液泡中含有花青素,花青素是不能吸收光能进行光合作用的。
色素与叶片颜色
正常绿色
正常叶片的叶绿素和类胡萝卜素的比例为3∶1,且对绿光吸收最少,所以正常叶片总是呈现绿色
叶色变黄
寒冷时,叶绿素分子易被破坏,类胡萝卜素较稳定,叶片显示出类胡萝卜素的颜色而变黄
叶色变红
秋天降温时,植物体为适应寒冷环境,体内积累了较多的可溶性糖,有利于形成红色的花青素,而叶绿素因寒冷逐渐降解,叶片呈现红色
考点二 光合作用的探究历程及过程
1.光合作用的探究历程(连线)
2.光合作用的过程
(1)反应式:
CO2+H2O
(CH2O)+O2。
(2)过程
[诊断与思考]
1.判断下列说法的正误
(1)细胞中不能合成ATP的部位是叶绿体中进行光反应的膜结构( × )
(2)H2O在光下分解为[H]和O2的过程发生在叶绿体基质中( × )
(3)离体的叶绿体基质中添加ATP、[H]和CO2后,可完成暗反应过程( √ )
(4)番茄幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后,与对照组相比,其叶片光合作用强度下降的原因是光反应强度和暗反应强度都降低( √ )
(5)在其他条件适宜情况下,在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照,并在黑暗中立即开始连续取样分析,在短时间内,叶绿体中C3和C5化合物含量都迅速增加( × )
2.回答在光合作用探究历程中的相关问题:
(1)普利斯特利实验结果说服力不强,应如何设计对照实验?
提示 应将点燃的蜡烛和小鼠分别单独置于玻璃罩内,作为空白对照。
(2)萨克斯实验的自变量、因变量、实验组、对照组分别是什么?
提示 自变量为光的有无,因变量为颜色变化(有无淀粉生成),实验组是遮光处理组,对照组为曝光处理组。
(3)写出鲁宾和卡门实验的设计思路。
提示 H2O+C18O2―→植物―→O2;
H
O+CO2―→植物―→18O2。
3.根据提供的物质和能量,利用箭头构建光反应和暗反应的关系模型(光能、[H]、ATP、ADP+Pi、H2O、O2、CO2、(CH2O)):
提示 如图所示
4.根据同位素示踪法判断光合作用中C、H、O的转移途径
(1)H:
3H2O
[3H]
(C3H2O);
(2)C:
14CO2
14C3
(14CH2O);
(3)O:
H
O
18O2,C18O2
C3
(CH
O)。
5.光照和CO2浓度变化对光合作用物质变化的影响
变化条件
C3
C5
[H]和ATP
(CH2O)
CO2供应不变
光照
强→弱
增加
减少
减少
减少
光照弱→强
减少
增加
增加
增加
光照不变
CO2充足→不足
减少
增加
增加
减少
CO2不足→充足
增加
减少
减少
增加
题组一 探究光合作用历程的实验分析
1.
(2013·海南,10)某植物叶片不同部位的颜色不同,将该植物在黑暗中放置48h后,用锡箔纸遮蔽叶片两面,如图所示。
在日光下照光一段时间,去除锡箔纸,用碘染色法处理叶片,观察到叶片有的部位出现蓝色,有的没有出现蓝色。
其中,没有出现蓝色的部位是( )
A.a、b和dB.a、c和e
C.c、d和eD.b、c和e
答案 B
解析 部位c、e被锡箔纸遮盖,所以不能进行光合作用,而a部位为黄白色,没有叶绿素,不能进行光合作用产生淀粉,所以加碘液不会变蓝。
2.如图表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下,小球藻进行光合作用的实验示意图。
一段时间后,以下相关比较不正确的是( )
A.Y2的质量大于Y3的质量
B.④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量
C.②中水的质量大于④中水的质量
D.试管①的质量大于试管②的质量
答案 C
解析 Y1和Y3是O2,Y2和Y4是18O2,因此Y2的质量大于Y3;④中小球藻中含有(CH
O)的有机物,而①中小球藻含有(CH2O)的有机物,故④中小球藻质量大于①中的小球藻质量;④和②中的水都为H
O,且含量相同,因此质量相等;在试管①和②中原有质量相等的情况下,②中释放出的是18O2,而①中释放出的是O2,故剩余质量①大于②。
题组二 分析光合作用的过程
3.(2015·福建,3)在光合作用中,RuBP羧化酶能催化CO2+C5(即RuBP)→2C3。
为测定RuBP羧化酶的活性,某学习小组从菠菜叶中提取该酶,用其催化C5与14CO2的反应,并检测产物14C3的放射性强度。
下列分析错误的是( )
A.菠菜叶肉细胞内RuBP羧化酶催化上述反应的场所是叶绿体基质
B.RuBP羧化酶催化的上述反应需要在无光条件下进行
C.测定RuBP羧化酶活性的过程中运用了同位素标记法
D.单位时间内14C3生成量越多说明RuBP羧化酶活性越高
答案 B
解析 RuBP羧化酶催化上述反应即为二氧化碳的固定,属于暗反应,其场所是叶绿体基质,A正确;暗反应不需要光,有光和无光条件下都可进行,B错误;实验中利用14C标记CO2并检测产物放射性强度,即采用同位素标记法,C正确;单位时间内产物生成量可代表化学反应的催化效率,酶对化学反应的催化效率即可反映酶活性,D正确。
4.下图为绿色植物光合作用过程示意图(图中a~g为物质,①~⑥为反应过程,物质转换用实线表示,能量传递用虚线表示)。
下列判断错误的是( )
A.图中①表示水分的吸收,③表示水的光解
B.c为ATP,f为[H]
C.将b物质用18O标记,最终在(CH2O)中能检测到放射性
D.图中a物质主要吸收红光和蓝紫光,绿色植物能利用它将光能转换成活跃的化学能
答案 B
解析 图中a~g分别代表光合色素、O2、ATP、ADP、NADPH([H])、NADP+、CO2,①~⑥分别代表水分的吸收、ATP的合成、水的光解、CO2的固定、C3的还原、有机物的合成,A项正确、B项错误;18O2
H
O
C18O2
(CH
O),C项正确;光合色素具有吸收、传递和转化光能的作用,D项正确。
题组三 分析条件骤变对光合作用物质含量变化的影响
5.(2013·重庆,6)下图是水生植物黑藻在光照等环境因素影响下光合速率变化的示意图。
下列有关叙述,正确的是( )
A.t1→t2,叶绿体类囊体膜上的色素吸收光能增加,基质中水光解加快、O2释放增多
B.t2→t3,暗反应限制光合作用。
若在t2时刻增加光照,光合速率将再提高
C.t3→t4,光照强度不变,光合速率的提高是由于光反应速率不变、暗反应增强的结果
D.t4后短暂时间内,叶绿体中ADP和Pi含量升高,C3化合物还原后的直接产物含量降低
答案 D
解析 水的光解、O2释放发生在叶绿体类囊体薄膜上,而不是叶绿体基质中,A项错误;t2→t3,限制光合速率的因素为CO2浓度,此时光照充足且恒定,若增加光照,光合速率不会提高,B项错误;t3→t4,暗反应增强,一定程度上加快ATP和ADP的转化,同时促进了光反应,C项错误;突然停止光照,光反应减弱甚至停止,类囊体薄膜上ATP合成受阻,ATP含量减少,ADP和Pi含量升高,被还原的C3化合物减少,直接产物含量降低,D项正确。
6.下图1表示光合作用部分过程的图解,图2表示改变光照后,与光合作用有关的C5和C3在细胞内的变化曲线。
请据图回答问题:
(1)图1中A表示的物质是________,它是由____________________产生的,其作用主要是__________________。
(2)图1中ATP形成所需的能量最终来自于__________。
若用放射性同位素标记14CO2,则14C最终进入的物质是____________。
(3)图2中曲线a表示的化合物是______,在无光照时,其含量迅速上升的原因是:
_____________________________________________________________________________。
(4)曲线b表示的化合物是______,在无光照时,其含量下降的原因是:
_______________。
答案
(1)[H] 水在光下分解 用于C3的还原
(2)太阳光能 (CH2O) (3)C3 CO2与C5结合形成C3,而C3不能被还原 (4)C5 C5与CO2结合形成C3,而C3不能被还原为C5
解析
(1)光反应为暗反应提供的物质是[H]和ATP,由此可确定A是[H],[H]是由水光解后经一系列过程产生的,其作用主要是用于C3的还原。
(2)光反应中,光能转换为活跃的化学能储存于ATP等化合物中,14CO2的同化途径为14CO2→14C3→(14CH2O)。
(3)(4)题干中已
说明曲线a、b表示C3和C5的含量变化,光照停止后,光反应停止,[H]和ATP含量下降,C3的还原减弱直至停止,而CO2的固定仍将进行,因此C3含量相对升高,C5含量相对下降,即a表示C3,b表示C5。
1.利用光合作用简图理解光反应和暗反应之间的关系
(1)光反应为暗反应提供[H]、ATP,暗反应为光反应提供ADP和Pi。
(2)没有光反应,暗反应无法进行;没有暗反应,有机物无法合成,光反应也会受到抑制。
2.模型法分析物质的量的变化
(1)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化,而非长时间。
(2)以上各物质变化中,C3和C5含量的变化是相反的,[H]和ATP含量变化是一致的。
考点三(实验) 绿叶中色素的提取和分离
1.实验原理
(1)提取:
绿叶中的色素能够溶于有机溶剂而不溶于水,可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。
(2)分离:
各种色素在层析液中溶解度不同,溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快,反之则慢,从而使各种色素相互分离。
2.实验步骤
提取色素:
称取5g的绿叶,剪碎,放入研钵中→加入少量SiO2、CaCO3和10mL无水乙醇
↓→研磨→过滤→将滤液收集到试管内并塞严试管口
制备滤纸条:
将干燥的定性滤纸剪成略小于试管长和直径的滤纸条,将滤纸条一端剪去两角,
↓在距离剪角一端1cm处用铅笔画一条细的横线
画滤液细线:
用毛细吸管吸取少量的滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,待滤液干后,
↓再画一两次
分离色素:
将适量的层析液倒入试管中,将滤纸条轻轻插入层析液中→
↓用棉塞塞紧试管口,装置如图所示
观察结果:
滤纸条上呈现四条颜色、宽度不同的色素带
[深度思考]
(1)为什么需要选用新鲜绿色的叶片做实验材料?
提示 新鲜绿色的叶片中色素含量高,从而使滤液中色素含量较高,实验效果明显。
(2)为什么研磨时要迅速?
为什么研磨时要加入少量的CaCO3和SiO2?
提示 叶绿素不稳定,易被破坏,因此研磨要迅速、充分,以保证提取较多的色素。
二氧化硅破坏细胞结构,使研磨充分。
碳酸钙可防止研磨过程中色素被破坏。
(3)为什么盛放滤液的试管管口加棉塞?
提示 防止乙醇挥发和色素氧化。
(4)滤纸为什么需预先干燥处理?
在制备滤纸条时,为什么将一端的两个角剪掉?
提示 干燥处理的目的是使层析液在滤纸上快速扩散;剪掉两角的目的是防止层析液沿滤纸边缘扩散过快,从而保证色素带分离整齐。
(5)为什么画滤液细线要直、细、匀,而且待滤液细线干燥后再重复画一两次?
提示 画滤液细线要直、细、匀的目的是使分离出的色素带平整不重叠;滤液细线干燥后再重复画一两次,使分离出的色素带清晰分明。
(6)在层析时,为什么不能让滤液细线触及层析液?
提示 滤纸条上的滤液细线触及层析液,会使色素直接溶解到层析液中,结果使滤纸条上得不到色素带。
(7)分析滤纸条上色素带宽窄不同的原因。
提示 不同种类的色素在绿叶中的含量不同,含量多的色素带宽,反之色素带窄。
(8)如图是实验得到的色素在滤纸条上的分布图示,分析比较各种色素的含量及其在层析液中的溶解度的大小。
提示 ①色素含量:
叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。
②溶解度大小:
胡萝卜素>叶黄素>叶绿素a>叶绿素b。
题组一 叶绿体色素提取与分离的实验分析
1.
(2015·江苏,21)为研究高光强对移栽幼苗光合色素的影响,某同学用乙醇提取叶绿体色素,用石油醚进行纸层析,下图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。
下列叙述正确的是(多选)( )
A.强光照导致了该植物叶绿素含量降低
B.类胡萝卜素含量增加有利于该植物抵御强光照
C.色素Ⅲ、Ⅳ吸收光谱的吸收峰波长不同
D.画滤液线时,滤液在点样线上只能画一次
答案 ABC
解析 A项对,由图示可知,强光下,Ⅲ、Ⅳ表示的叶绿素色素带变窄,说明叶绿素含量降低;B项对,强光照条件下,类胡萝卜素含量增加,说明类胡萝卜素含量增加有利于植物抵御强光照;C项对,Ⅲ是叶绿素a,Ⅳ是叶绿素b,都是主要吸收蓝紫光和红光,但吸收光谱的吸收峰波长不同;D项错,画滤液线时,滤液在点样线上画2~3次。
2.下列对提取光合色素,进行纸层析分离的实验中各种现象的解释,正确的是( )
A.未见色素带,原因可能为材料是黄化叶片
B.色素始终在滤纸上,是因为色素不溶于层析液
C.提取液呈绿色是由于其含有叶绿素a和叶绿素b
D.胡萝卜素处于滤纸条最前方,是因为其在提取液中的溶解度最高
答案 C
解析 叶绿素a呈蓝绿色、叶绿素b呈黄绿色,所以光合色素提取液呈绿色。
未见色素带,可能的原因是没有提取出色素或滤液细线浸入层析液使色素溶解在层析液里等。
若材料为黄化叶片,操作正确应见到胡萝卜素、叶黄素的色素带。
胡萝卜素处于滤纸条最前方,是因为其在层析液中的溶解度最高。
题组二 叶绿体中色素提取的实验操作与探究
3.中国的饮食讲究“色香味”,颜色会影响消费。
小李同学拟研发“绿色”食用色素,他以生长很快的入侵植物水葫芦为材料进行如下实验。
Ⅰ.提取叶绿素
―→
―→
―→
Ⅱ.探究pH对叶绿素稳定性的影响
取一些叶绿素粗产品,配成一定浓度的溶液,于室温(约25℃)下进行实验,方法和结果如下表。
实验组号
叶绿素溶液(mL)
调pH至
处理时间(min)
溶液颜色
①
3.0
Y
10
绿色
②
3.0
7.0
10
绿色
③
3.0
6.0
10
黄绿色
④
3.0
5.0
10
黄褐色
注:
叶绿素被破坏后变成黄褐色。
根据所学知识和实验结果,请回答:
(1)提取食用叶绿素的X应该为________________________________________________,
原因是_____________________________________________________________________。
(2)表中Y应该为________,原因是____________________________________________。
(3)若用作食品色素,天然叶绿素色素不适用于_________________________________食品,否则________________________。
(4)小李想了解叶绿素产品中是否含有其他色素,请你提供检测方法并写出主要步骤。
________________________________________________________________________。
答案
(1)对人体无害的有机溶剂(食用酒精) 叶绿素溶于有机溶剂和应考虑溶剂对人体的影响
(2)8.0 以1.0作为pH梯度进行实验 (3)酸性 叶绿素被破坏会造成食品失绿而影响品质 (4)纸层析法,其主要步骤:
①制备滤纸条,②画滤液细线,③用层析液分离色素,④观察色素带
解析
(1)色素易溶于有机溶剂不溶于水,因此提取食用叶绿素应选用对人体无害的有机溶剂。
(2)据表中数据可知,pH梯度为1.0,因此Y的数值为8.0。
(3)据题中实验结果可知,酸性条件可破坏叶绿素。
(4)检测产品中是否含有其他色素,可利用教材实验的纸层析法。
4.植物的生长发育需要根从土壤中吸收水分和各种矿质元素,科学实验发现土壤中缺磷,会导致植株矮小,叶色暗绿。
依据叶色变化判断可能是缺少类胡萝卜素,试设计实验探究叶色暗绿是否是因为缺磷造成类胡萝卜素缺乏所致。
实验所需主要用具、试剂:
烧杯、漏斗、试管、研钵、完全培养液、仅缺磷的完全培养液、无水乙醇、SiO2、CaCO3、层析液等。
实验材料:
正常生长的黄瓜幼苗。
实验假设:
__________________________________________________________________。
实验步骤:
第一步:
取两个烧杯编号为A、B,各放入同样数量、_____________________的黄瓜幼苗。
第二步:
A烧杯中加入完全培养液,B烧杯中加入等量____________________,置于相同且适宜的条件下培养,培养到两组黄瓜幼苗叶片出现颜色差异为止。
第三步:
分别从A、B两组中选取____________,用____________提取叶片色素,用________法分离色素,观察比较__________________________________________________________。
实验结果预测:
(1)A、B两组类胡萝卜素色素带宽度和颜色一致,说明缺磷导致的叶色暗绿,不是由于类胡萝卜素缺乏所致。
(2)________________________________________________________________________。
答案 实验假设:
缺磷导致类胡萝卜素缺乏,引起叶色暗绿
实验步骤:
第一步:
同一品种且长势相近、苗龄相同
第二步:
仅缺磷的完全培养液
第三步:
等量叶片 无水乙醇 纸层析 A、B两组色素带中类胡萝卜素色素带的宽度和颜色的深浅
实验结果预测:
(2)A组比B组类胡萝卜素色素带宽度大、颜色深(或B组缺少类胡萝卜素色素带),说明缺磷导致的叶色暗绿,是由于类胡萝卜素缺乏所致
解析 根据题中的实验目的,可确定该实验的假设为:
缺磷导致类胡萝卜素缺乏,引起叶色暗绿。
利用溶液培养法来培养黄瓜幼苗,实验时要遵循对照原则和单一变量原则。
等到完全培养液中和缺磷的完全培养液中黄瓜叶片出现颜色差异时进行色素的提取和分离实验,最终比较色素带的宽度和颜色的深浅来确定假设是否成立。
1.绿叶中色素提取和分离实验异常现象分析
(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析
①未加石英砂(二氧化硅),研磨不充分。
②使用放置数天的叶片,滤液色素(叶绿素)太少。
③一次加入大量的无水乙醇(正确做法:
分次加入少量无水乙醇提取色素)。
④未加碳酸钙或加入过少,色素分子被破坏。
(2)滤纸条色素带重叠:
滤纸条上的滤液细线接触到层析液。
(3)滤纸条看不见色素带
①忘记画滤液细线或没有提取出色素。
②滤液细线接触到层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中。
2.实验设计的四大基本原则
(1)单一变量原则:
即除自变量(实验变量)以外,应使实验组与对照组的无关变量保持相同且适宜。
如生物材料相同(大小、生理状况、年龄、性别等)、实验器具相同(型号、洁净程度等)、实验试剂相同(用量、浓度、使用方法等)和条件相同(保温或冷却、光照或黑暗、搅拌、振荡等)
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