高考生物 第三单元第9讲.docx
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高考生物第三单元第9讲
第9讲 光合作用(Ⅰ)
[考纲要求] 1.光合作用(Ⅱ)。
2.实验:
光合色素的提取与分离。
考点一 光合色素和叶绿体的结构
1.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。
2.叶绿体的结构与光合作用过程图解
[深度思考]
(1)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。
(2)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。
题组一 光合色素吸收光谱的分析
1.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。
2.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速率
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速率,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。
题组二 分析光合色素的元素组成与作用
3.(2013·新课标Ⅱ,2)关于叶绿素的叙述,错误的是( )
A.叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素
B.被叶绿素吸收的光可用于光合作用
C.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同
D.植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光
答案 D
解析 植物在进行光合作用时主要吸收红光和蓝紫光,由于绿色植物几乎不吸收绿色光,所以植物的叶片一般呈现绿色。
4.1880年德国科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的光谱。
他将三棱镜产生的光谱投射到丝状的水绵体上,并在水绵的悬液中放入好氧细菌,观察细菌的聚集情况(如图所示),他得出光合速率在红光区和蓝光区最强。
这个实验的思路是( )
A.细菌对不同的光反应不一,细菌聚集多的地方,水绵光合作用强
B.好氧细菌聚集多的地方,O2浓度高,水绵光合作用强,则在该种光照射下植物光合作用强
C.好氧细菌聚集多的地方,水绵光合作用产生的有机物多,则在该种光照射下植物光合作用强
D.聚集的好氧细菌大量消耗光合作用产物——O2,使水绵的光合作用速度加快,则该种光有利于光合作用
答案 B
解析 普通白光经三棱镜折射后,分散成不同色彩的光,在图(b)中由左到右是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫,好氧细菌分布在氧气浓度较高的环境中。
图(a)中,好氧细菌分布多的地方,氧气浓度高,氧气来自光合作用中的光反应,因此好氧细菌的分布也体现出光合速率的大小,故B项正确。
影响叶绿素合成的因素分析
(1)光照:
光是影响叶绿素合成的主要条件,一般植物在黑暗中不能合成叶绿素,因而叶片发黄。
(2)温度:
温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性,进而影响叶绿素的合成。
低温时,叶绿素分子易被破坏,而使叶子变黄。
(3)必需元素:
叶绿素中含N、Mg等必需元素,缺乏N、Mg将导致叶绿素无法合成,叶子变黄。
另外,Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分,缺Fe也将导致叶绿素合成受阻,叶子变黄。
考点二 光合作用的过程
1.写出光合作用的总反应式及各元素的去向
答案
2.光反应与碳反应的区别与联系
项目
光反应
碳反应
条件
需色素、光、酶
不需色素和光,需要多种酶
场所
叶绿体的类囊体膜
叶绿体基质
物质
转化
①水光解:
H2O
2H++2e-+
O2
②ATP的合成:
ADP+Pi+光能
ATP
NADP++H++e-
NADPH
①CO2的固定:
CO2+RuBP
2C3(三碳酸)
②三碳酸的还原
三碳酸
三碳糖
③RuBP的再生和其他有机物的形成:
三碳糖
能量
转换
光能→活跃化学能,并贮存在ATP和NADPH中
ADP和NADPH中的活跃化学能→有机物中稳定的化学能
关系
[思维诊断]
(1)光合作用需要的色素和酶均分布在叶绿体基粒和基质中( × )
(2)破坏叶绿体外膜后,O2不能产生(2011·浙江,1A)( × )
(3)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(2012·北京,1B)( × )
(4)光合作用过程中光反应是碳反应进行的前提( √ )
(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RuBP含量都迅速增加(2009·海南,15B)( × )
(6)H2O在光下分解为[H]和O2的过程发生在叶绿体基质中(2009·安徽,1B)( × )
题组一 光合作用的过程分析
1.根据下面光合作用图解,判断下列说法正确的是( )
A.⑤过程发生于叶绿体基质中
B.⑥过程发生于叶绿体类囊体膜上
C.图示①~④依次为NADPH、ATP、CO2、(CH2O)
D.②不仅用于还原C3化合物,还可促进③与RuBP的结合
答案 C
解析 根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥分别表示NADPH、ATP、CO2、(CH2O)、光反应和碳反应。
光反应发生在叶绿体的类囊体膜上,碳反应发生在叶绿体的基质中。
C3化合物还原过程中需要ATP,CO2固定过程中不需要ATP。
2.如图是在电子显微镜下观察到的高等植物叶绿体结构模式图,下列有关叙述错误的是( )
A.①和②均为选择透性膜
B.③上分布有与光反应有关的色素和酶
C.在③上形成的产物NADPH和ATP进入④中为碳反应提供物质和能量
D.④中进行的反应使ATP进入糖类等有机物中
答案 D
解析 ①和②分别表示叶绿体的外膜和内膜,为生物膜,具有选择透性;③为基粒,其上分布着光反应所需的色素和酶;光反应的产物NADPH和ATP进入④叶绿体基质中,为碳反应提供还原剂氢和能源物质ATP;ATP水解后将活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能,而非直接将ATP转移到有机物中。
用“一、二、三、四”巧记光合作用的过程
题组二 分析条件骤变对光合作用物质含量变化的影响
3.(2014·新课标Ⅰ,2)正常生长的绿藻,照光培养一段时间后,用黑布迅速将培养瓶罩上,此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是( )
A.O2的产生停止B.CO2的固定加快
C.ATP/ADP比值下降D.NADPH/NADP+比值下降
答案 B
解析 正常生长的绿藻,照光培养一段时间,说明绿藻可以正常进行光合作用,用黑布遮光后,改变了绿藻光合作用的条件,此时光合作用的光反应停止,光反应的产物O2、ATP和NADPH(即[H])停止产生,所以A、C、D项所述现象会发生;光照停止,碳反应中C3还原受影响,RuBP减少,CO2的固定减慢,B项所述现象不会发生。
4.(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,碳反应限制光合作用。
若在t2时刻增加光照,光合速率将再提高
C.t3→t4,光强度不变,光合速率的提高是由于光反应速率不变、碳反应增强的结果
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,碳反应增强,一定程度上加快ATP和ADP的相互转化,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。
5.如图是夏季晴朗的一天中,某绿色植物体内C3和RuBP两种化合物相对含量的变化曲线图,有人据图做出了如下分析和判断,其中正确的是( )
A.m表示RuBP,因为夜间叶绿体不能产生ATP和[H],RuBP因缺少ATP不能与CO2结合而积累
B.在5~9时,光合作用的最大限制因子是温度,11~15时最大的限制因子是光照和CO2
C.16~20时两种物质含量变化的主要原因是环境因素的改变引起植物气孔开放和ATP、NADPH生成减少
D.环境因素的变化引起植物呼吸作用增强产生较多的CO2是16~20时两种物质含量变化的主要原因
答案 C
解析 必须先读懂两条形态相似、变化相反曲线的意义,运用光合作用过程中物质、能量及影响因素等方面的规律审题,进行综合分析,才能正确做出选择。
题干提示两条曲线是关于光合作用过程中,两种化合物相对含量的变化,因此,紧扣C3和RuBP相互转化的条件和因果关系是解题的出发点。
早上有光照后,光反应产生的ATP和NADPH增多,C3被还原而减少,RuBP则增多;傍晚光照减弱,光反应产生的ATP和NADPH减少,C3增多,RuBP则减少,所以m表示C3,n表示RuBP。
CO2的固定不需要ATP,在5~9时,光合作用的最大限制因子是光照而不是温度,11~15时光合作用最大的限制因子不是光照,而是CO2。
模型法分析物质的量的变化
特别提醒
(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RuBP含量的变化是相反的,NADPH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
[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)为什么滤液细线要重复画,且线要细、直?
提示 重复画线是为了增加色素的浓度,使分离出的色素带清晰分明。
滤液细线要细、直是为了防止色素带之间出现重叠。
(3)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(或没入)层析液,会使滤液中的色素溶解于层析液中,滤纸条上得不到色素带,使实验失败。
题组一 绿叶中色素提取与分离的实验分析
1.在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时,甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示(“+”表示使用,“-”表示未使用),其余操作均正常,他们所得的实验结果依次应为( )
试剂
甲
乙
丙
丁
无水乙醇
-
+
+
+
水
+
-
-
-
CaCO3
+
+
-
+
SiO2
+
+
+
-
A.①②③④B.②④①③
C.④②③①D.③②①④
答案 B
解析 解答本题首先要知道表格中各种试剂的作用,然后再分析每位同学所加的试剂。
其中乙同学操作完全正确,其他同学与该同学进行对比,分析缺少的试剂并根据该试剂的作用分析可能出现的实验结果。
无水乙醇为提取剂,色素提取过程不需要水,若加入水会使色素提取液颜色变浅;SiO2的作用是使研磨更充分;CaCO3能保护叶绿素分子。
甲同学由于没有加入提取剂无水乙醇,所以提取液中不会出现色素,色素分离的结果是②;乙同学操作正确,色素分离后得到的色素带有四条,与④情况相符;丙同学由于未加CaCO3,所以叶绿素含量减少,所得到的色素带中两条叶绿素带比正常的色素带要窄,对应①;丁同学由于未加SiO2,导致叶片研磨不充分,最终导致各种色素的含量均减少,对应③。
2.某班学生完成对新鲜菠菜叶进行叶绿体中色素的提取和分离实验时,由于各组操作不同,出现了以下四种不同的层析结果。
下列分析错误的是( )
A.甲可能是因为研磨时未加入SiO2
B.乙可能是因为研磨时未加入CaCO3
C.丙可能误用蒸馏水做提取液和层析液
D.丁是正确操作得到的理想结果
答案 D
解析 在色素的提取和分离实验中,SiO2可使菠菜叶研磨充分,CaCO3可防止叶绿素受到破坏,未加入SiO2和CaCO3时,会发生甲、乙图示的现象,A、B正确;丙图中色素含量基本为零,可能是误用蒸馏水做提取液和层析液的结果,C正确;丁图显示含量最高的是叶黄素,实际上正常绿色叶片中叶绿素a和叶绿素b含量多,D错误。
绿叶中的色素提取和分离实验的异常现象分析
(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析
①未加二氧化硅(石英砂),研磨不充分。
②使用放置数天的菠菜叶,滤液中色素(叶绿素)太少。
③一次加入大量的无水乙醇,提取浓度太低(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未画成一条细线。
(3)滤纸条上得不到色素带的原因分析
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。
题组二 分析色素提取与分离的实验操作
3.(2013·江苏,5)关于叶绿体中色素的提取和分离实验的操作,正确的是( )
A.使用定性滤纸过滤研磨液
B.将干燥处理过的定性滤纸条用于层析
C.在划出一条滤液细线后紧接着重复划线2~3次
D.研磨叶片时,用体积分数为70%的乙醇溶解色素
答案 B
解析 色素易被滤纸吸附,故用单层尼龙布过滤,A错误;每次重复画色素滤液细线时,需等干燥后再进行,C错误;由于叶绿体中的色素不溶于水,因此研磨叶片时需用无水乙醇或丙酮,D错误。
4.某同学在进行“绿叶中色素的提取和分离”实验时,进行了以下操作:
①将5g新鲜菠菜叶片剪碎放入研钵中,加入无水乙醇后直接进行研磨;②将预备好的滤纸条一端剪去两角,在距这一端1cm处用钢笔画一条横线;③为增强实验效果,将滤液细线画粗些;④将滤纸条画有滤液细线的一端朝下,轻轻插入层析液中,让滤液细线浸入层析液中。
该同学的操作有误的是( )
A.①B.①②C.①②③D.①②③④
答案 D
解析 实验操作中,正确的做法是:
①提取绿色叶片中的色素时,在将5g新鲜菠菜叶片剪碎放入研钵中后,应加入少许二氧化硅和碳酸钙,再加入10mL无水乙醇,进行迅速、充分的研磨;②制备滤纸条时,应将预备好的滤纸条一端剪去两角,在距这一端1cm处用铅笔画一条横线,而不是用钢笔;③画滤液细线时,为确保色素带分离整齐、不重叠,应保证滤液细线细、直、齐,为增强实验效果,应重复画线使滤液细线处积累较多色素;④分离色素时,应将滤纸条画有滤液细线的一端朝下,略微斜靠着烧杯的内壁,轻轻插入层析液中,随后盖上培养皿盖,为了防止滤液细线中的色素溶于层析液中,不能让滤液细线触及层析液。
网络构建
要语强记
1.叶绿体中的色素有4种,即叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和胡萝卜素。
2.叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。
3.吸收光能的四种色素分布在叶绿体的类囊体膜上。
4.叶绿体是进行光合作用的场所。
它内部的巨大膜表面上,不仅分布着许多吸收光能的色素分子,还有许多进行光合作用所必需的酶。
5.光合作用释放的O2来自于H2O。
6.光反应阶段就是叶绿体中的色素吸收光能,将H2O分解成[H]和O2,同时形成ATP的过程。
7.碳反应过程是在叶绿体基质内,在多种酶催化下完成的,包括CO2的固定和C3的还原等过程。
探究高考 明确考向
1.(2012·海南,9)关于叶绿体色素的叙述,错误的是( )
A.叶绿素a和b主要吸收红光和蓝紫光
B.绿叶中叶绿素和类胡萝卜素含量不同
C.利用纸层析法可分离4种叶绿体色素
D.乙醇提取的叶绿体色素不能吸收光能
答案 D
解析 叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光,A项正确;叶绿体中叶绿素含量约为3/4,类胡萝卜素含量约为1/4,B项正确;不同色素在层析液中的溶解度不同,在滤纸条上的扩散速度不同,可用纸层析法对其进行分离,C项正确;乙醇提取的叶绿素只要结构没有被破坏,仍是可以吸收光能的,D项错误。
2.(2012·上海,17)下图表示叶绿体色素提取分离实验中纸层析的结果,据图判断用作实验材料的叶片颜色为( )
A.红色B.黄色C.绿色D.紫色
答案 B
解析 在叶绿体色素提取和分离实验中,滤纸条上的四条色素带距点样处的距离由近及远分别是:
叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素,由图可知,叶绿素含量比类胡萝卜素含量少,用作实验材料的叶片应呈黄色,故B选项正确。
3.(2011·新课标,29)在光照等适宜条件下,将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中,其叶片碳反应中C3和RuBP微摩尔浓度的变化趋势如图。
请据图回答问题:
(1)图中物质A是__________(C3化合物、RuBP)。
(2)在CO2浓度为1%的环境中,物质B的浓度比A的低,原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________,
将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后,物质B浓度升高的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中,碳反应中C3和RuBP浓度达到稳定时,物质A的浓度将比B的__________(低、高)。
(4)CO2浓度为0.003%时,该植物光合速率最大时所需要的光强度比CO2浓度为1%时的______(高、低),其原因是________________________________________________________________________。
答案
(1)C3化合物
(2)碳反应速率在该环境中已达到稳定,即C3和RuBP的含量稳定,根据碳反应的特点,此时C3化合物的分子数是RuBP的2倍 当CO2浓度突然降低时,RuBP的合成速率不变,消耗速率却减慢,导致RuBP积累 (3)高 (4)低 CO2浓度低时,碳反应的强度低,所需的ATP和NADPH少
解析
(1)CO2浓度降低时,C3化合物产生减少而消耗继续,故C3化合物的浓度降低,所以物质A代表的是C3化合物。
(2)在正常情况下,1molCO2与1molRuBP结合形成2molC3化合物,即C3化合物的浓度是RuBP浓度的2倍。
CO2浓度迅速下降到0.003%后,RuBP的产生量不变而消耗量减少,故RuBP的浓度升高。
(3)CO2浓度继续处于0.003%时,因光反应产物NADPH和ATP的积累而抑制光反应过程,足量的NADPH和ATP引起碳反应中RuBP的浓度又逐渐降低,而C3化合物的浓度逐渐升高,在达到相对稳定时,C3化合物的浓度仍是RuBP浓度的2倍。
(4)CO2浓度较低时,碳反应减弱,需要的NADPH和ATP量减少,故CO2浓度为0.003%时,在较低的光强度时就能达到最大光合速率。
4.(2014·广东,26)观测不同光照条件下生长的柑橘,结果见下表。
请回答下列问题:
光照强度
叶色
平均叶面积(cm2)
气孔密度(个·mm-2)
净光合速率(μmolCO2·m-2·s-1)
强
浅绿
13.6(100%)
826(100%)
4.33(100%)
中
绿
20.3(149%)
768(93%)
4.17(96%)
弱
深绿
28.4(209%)
752(91%)
3.87(89%)
注:
括号内的百分数以强光照的数据作为参照。
(1)CO2以________________方式进入叶绿体后,与________________结合而被固定,固定产物的还原需要光反应提供的________________。
(2)在弱光下,柑橘通过____________________________和________________________来吸收更多的光能,以适应弱光环境。
(3)与弱光下相比,强光下柑橘平均每片叶的气孔总数______,单位时间内平均每片叶CO2吸收量________。
对强光下生长的柑橘适度遮阴,持续观测叶色、叶面积和净光合速率,这三个指标中,最先发生改变的是________________,最后发生改变的是________。
答案
(1)扩散 五碳化合物(RuBP) NADPH和ATP
(2)增加叶绿素含量 提高平均叶面积 (3)少 多 净光合速率 叶面积
解析
(1)根据光合作用的过程可知,碳反应阶段叶片通过气孔吸收CO2,CO2进入细胞后以扩散的方式进入叶绿体,进而被RuBP固定形成C3,在有关酶的催化作用下,C3接受ATP释放的能量并且被NADPH还原为糖类和RuBP。
(2)通过表格数据可以看出:
弱光下,植物为了适应环境,通过增加叶绿素含量(叶色为深绿)和提高平均叶面积(是强光下的209%)来吸收更多的光能。
(3)柑橘平均每片叶的气孔总数=平均叶面积×气孔密度,通过计算可知,强光下柑橘平均每片叶的气孔总数最少,但净光合速率最大,说明单位时间内平均每片叶CO2吸收量最多。
在遮阴条件下,植物接受的光照减少,会首先影响其光合速率,净光合速率随之改变。
为了适应弱光环境,植物要合成更多的叶绿素来尽量提高光合速率,一段时间后,植物叶面积也会变大,以便通过增加气孔总数来提高光合速率。
练出高分
1.图中①代表新鲜菠菜叶的光合色素纸层析结果,则图②所示结果最有可能来自于( )
A.水培的洋葱叶
B.生长的柳树幼叶
C.培养的衣藻
D.秋冬的银杏落叶
答案 D
解析 从两条层析条带上分析可知,滤纸条②缺少了叶绿素a和叶绿素b的色素带,可能是选择的材料中缺少叶绿素。
从4个选项分析,秋冬季的银杏落叶
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