光合作用的探究历程与基本过程.docx

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光合作用的探究历程与基本过程

第10讲　光合作用的探究历程与基本过程

[最新考纲]　1.光合作用的基本过程（Ⅱ）。

2.实验：

叶绿体色素的提取和分离。

3.影响光合作用速率的环境因素（Ⅱ）。

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.叶绿体的结构与功能

（1）结构模式图

（2）结构

（3）功能：

进行光合作用的场所。

（4）恩格尔曼的实验：

好氧细菌只分布于叶绿体被光束照射的部位。

3.光合作用的探究历程（连一连）

答案　①—A—b　②—C—a　③—E—e　④—D—c　⑤—B——d

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，有的部位出现了蓝色，请思考：

（1）实验时预先对植物进行暗处理，其目的是消耗掉原有淀粉，排除其对实验结果的干扰。

（2）实验中a与b、d对照可证明光合作用需叶绿体，e与b、d对照可证明光合作用需要光。

（3）本实验可证明光合作用的产物是淀粉。

　捕获光能的色素和结构

1.（2016·全国课标卷Ⅱ，4）关于高等植物叶绿体中色素的叙述，错误的是（　　）

A.叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中

B.构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收

C.通常，红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用

D.黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的

解析　叶绿体中的色素能够溶解在包括乙醇在内的有机溶剂中，A正确；镁作为细胞中的无机盐，可以离子状态由植物的根从土壤中吸收，进而参与叶绿素的合成，B正确；一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光，可见光不包括红外光和紫外光，C错误；叶绿素的合成需要光，黑暗中生长的植物幼苗，因没有光照而导致叶绿素合成受阻，使类胡萝卜素的颜色显现出来，因而叶片呈黄色，D正确。

答案　C

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均为选择透过性膜

B.③上分布有与光反应有关的色素和酶，这些色素对绿光吸收最少

C.③上所含色素均含Mg2＋，故缺Mg2＋时这些色素都无法合成

D.在③上形成的产物[H]和ATP进入④中为暗反应提供物质和能量

解析　叶绿素分子中含Mg2＋，胡萝卜素、叶黄素中不含Mg2＋。

答案　C

　光合作用的探究历程

1.下列关于光合作用探究历程的叙述，不正确的是（　　）

A.普利斯特利的实验证明了植物可以更新空气

B.萨克斯的实验证明了光合作用的产物除氧气外还有淀粉

C.恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量

D.鲁宾和卡门的实验中，用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用产生的氧气来自H2O而不是CO2

解析　恩格尔曼的实验能够证明氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是进行光合作用的场所，但不能定量分析光合作用生成的氧气量。

答案　C

2.下图是光合作用探索历程中恩格尔曼和萨克斯的实验示意图，下列有关叙述正确的是（　　）

A.两实验均需进行“黑暗”处理，以消耗细胞中原有的淀粉

B.两实验均需要光的照射

C.两实验中只有恩格尔曼的实验设置了对照

D.两实验均可证明光合作用的产物有氧气

解析　本题主要考查光合作用的发现过程。

图示的两实验中，只有萨克斯的实验需进行“黑暗”处理，目的是消耗掉细胞中原有的淀粉。

恩格尔曼实验的目的是探究光合作用进行的场所，萨克斯实验的目的是探究光合作用产物，所以两实验均需要光的照射。

恩格尔曼的实验中，照光处理与不照光、黑暗与完全曝光形成对照；萨克斯的实验中，暗处理的叶片一半曝光、一半遮光形成对照。

恩格尔曼的实验可证明氧气是光合作用的产物，萨克斯的实验可证明淀粉是光合作用的产物。

答案　B

恩格尔曼实验方法的巧妙之处

（1）巧选实验材料：

选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；用好氧细菌可以确定释放氧气多的部位。

（2）妙法排除干扰因素：

没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。

（3）巧妙设计对照实验：

用极细的光束照射，叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对照实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果。

1.写出光合作用的总反应式并标出各种元素的来源和去向

________________________________

2.光反应与暗反应的比较

过程

图解

阶段

光反应

暗反应

场所

在叶绿体类囊体膜上

在叶绿体基质中

物质转化

水的光解；ATP的形成

CO2的固定和C3的还原

能量转化

光能→ATP中活跃的化学能

ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能

联系

光反应为暗反应提供[H]和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP＋

■助学巧记

巧记光合作用过程的“一、二、三、四”

环境因素骤变对光合作用中间产物含量动态变化曲线

当外界条件改变时，光合作用中C3、C5及ATP和ADP含量变化可以采用以下过程分析：

（1）建立模型

①需在绘制光合作用模式简图的基础上借助图形进行分析。

②需从物质的生成和消耗两个方面综合分析。

如CO2供应正常、光照停止时C3的含量变化：

（2）含量变化分析过程与结果

条件

过程变化

[H]和ATP

C3

C5

（CH2O）

合成速率

光照由强到弱，CO2供应不变（图甲）

①②过程减弱，[H]、ATP减少，导致③⑤过程减弱，④过程正常进行

减少

增加

减少

减小

光照由弱到强，CO2供应不变（图乙）

①②过程增强，[H]、ATP增加，导致③⑤过程增强，④过程正常进行

增加

减少

增加

增大

光照不变，CO2由充足到不足（图丙）

④过程减弱，C3减少，C5增加，导致③⑤过程减弱，①②过程正常进行

增加

减少

增加

减小

光照不变，CO2由不足到充足（图丁）

④过程增强，C3增加，C5减少，导致③⑤过程增强，①②过程正常进行

减少

增加

减少

增大

1.真题重组　判断正误

（1）光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高（2015·安徽卷）（√）

（2）在叶绿体中发生的生理过程，不需要蛋白质参与的是Mg2＋吸收（2015·四川卷，1A）（×）

（3）夏季晴天光照最强时，小麦光合速率最高（2015·海南卷，7B）（×）

（4）植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光（2013·新课标卷Ⅱ，2D）（×）

人教版教材P97～104以不太大的篇幅介绍了“捕获光能的色素和结构”、“光合作用的原理、应用及叶绿体中色素提取和分离”，相关内容在高考中其广泛度、深度、重要程度已远远超越教材本身，“无光合作用不成卷”已成铁的事实，因此对相关内容的备考应着力做宽、做大、做实。

2.（人教必修1P106拓展题改编）课外活动小组同学在适宜的温度下，以葡萄为材料所做的几组实验（假设该植物在24h内呼吸速率不变），结果记录如下，相关叙述正确的是（　　）

A.图一实验结果显示栽培农作物时，加大种植密度有利于产量提升

B.经检测，葡萄植株一昼夜的CO2净吸收量为250mg，图二中阴影部分所表示的CO2吸收量应小于250mg

C.图二曲线中能进行光合作用的区段是A～B

D.图二曲线DC段与EB段上升的原因不相同，前者是因为CO2供应不足，后者是因为光照逐渐减弱

解析　图一显示栽培密度应合理，密度过大不利于单株光合速率提升；若一昼夜CO2净吸收量为250mg，则图二阴影部分的CO2吸收量应大于250mg；曲线中6时～18时期间均进行光合作用。

答案　D

　光合作用过程分析

1.（2015·安徽卷，2）下图为大豆叶片光合作用暗反应阶段的示意图。

下列叙述正确的是（　　）

A.CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为C3中的化学能

B.CO2可直接被[H]还原，再经过一系列的变化形成糖类

C.被还原的C3在相关酶的催化作用下，可再形成C5

D.光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高

解析　由图解可知，光反应产生的ATP和[H]参与C3的还原，而不参与CO2的固定，A、B错误；被还原的C3在有关酶的催化作用下一部分合成了（CH2O），另一部分又形成了C5，C正确；光照强度变弱时，光反应产生的ATP和[H]减少，故短时间内C5含量会降低，D错误。

答案　C

2.下面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）。

有关判断错误的是（　　）

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

解析　题图所示，a为叶绿体色素，主要吸收红光和蓝紫光；b为O2，c为ATP，d为ADP，e为NADPH（[H]），f为NADP＋，故B错误。

答案　B

　环境因素骤变对光合作用物质含量变化的影响

【典例】（2011·新课标Ⅰ卷）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%环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。

（1）图中物质A是________（C3、C5）。

（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，暗反应中C3和C5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照强度比CO2浓度为1%时的________（高、低），其原因是_______________________________

_________________________________________________________________。

[慧眼识图　获取信息]

答案　

（1）C3　

（2）暗反应速率在该环境中已达到稳定，即C3和C5的含量稳定。

根据暗反应的特点，此时C3的分子数是C5的2倍　当CO2浓度突然降低时，C5的合成速率不变，消耗速率却减慢，导致C5积累　（3）高　（4）低　CO2浓度低时，暗反应强度低，所需ATP和[H]少

分析C3、C5含量变化的三点注意

（1）以上分析只表示条件改变后短时间内叶绿体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的含量变化是一致的。

（3）物质相对含量变化与物质合成速率变化的区别

物质相对含量变化与物质合成速率变化是两个不同的概念，如光照强度增加后，C3相对含量减少，但是C3的合成速率加快。

CO2供应增加，C5相对含量减少，但是C5的合成速率加快。

【对点小练】

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

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[H]（即NADPH）停止产生，所以A、C、D项所叙述现象会发生；光照停止，暗反应中C3还原受影响，C5减少，CO2的固定减慢，B项所叙述现象不会发生。

答案　B

1.实验原理

2.实验流程

步骤

操作要点

说明

提取色素

研磨

①无水乙醇：

作为提取液，可溶解绿叶中的色素

②SiO2：

使研磨更充分

③CaCO3：

防止研磨时叶绿素受到破坏

过滤

研磨后用单层尼龙布过滤

制备滤纸条

剪去两角的滤纸条一端1cm处用铅笔画一条细线

剪去两角以保证色素在滤纸上扩散均匀、整齐，否则会形成弧形色素带

画滤液细线

用毛细吸管吸取色素滤液，沿铅笔线均匀画一条滤液细线，待滤液干后再画一两次

①滤液细线要细、直

②干燥后重复画一两次，使滤液细线既有较多的色素，又使各色素扩散的起点相同

色素分离

将适量层析液倒入试管→插入滤纸条→棉塞塞紧试管口

实验结

果分析

色素种类

色素

颜色

色素

含量

溶解度

扩散

速度

a.胡萝卜素

橙黄色

最少

最高

最快

b.叶黄素

黄色

较少

较高

较快

c.叶绿素a

蓝绿色

最多

较低

较慢

d.叶绿素b

黄绿色

较多

最低

最慢

　叶绿体中色素提取和分离过程与结果分析

1.（2015·江苏卷，21改编）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）。

下列叙述不正确的是（　　）

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

解析　由题图示可知，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，A正确；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，B正确；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，C正确；画滤液线时，滤液在点样线上画2～3次，D错误。

答案　D

2.在做“提取和分离叶绿体中的光合色素”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

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。

答案　B

绿叶中色素提取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，叶绿素分子被破坏。

（2）滤纸条色素带重叠：

滤纸条上的滤液细线画得太粗。

（3）滤纸条看不见色素带

①忘记画滤液细线。

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。

易错·防范清零

[易错清零]

易错点1　混淆塑料大棚中“塑料颜色”与“补光类型”的选择

点拨　为提高光能利用率，塑料大棚栽培时常选择“无色塑料”以便透过各色光，这是因为太阳的全色光透过时各种色的光均可被作物吸收（尽管黄绿色吸收量较小，但总不会起负作用），而阴天或夜间给温室大棚“人工补光”时，则宜选择植物吸收利用效率最高的“红光或蓝紫光”灯泡。

因为若利用白炽灯，则其发出的光中“黄、绿光”利用率极低，从节省能源（节电、节省成本）角度讲，用红灯泡、紫灯泡效率最高。

易错点2　误认为温室生产中昼夜温差越大，作物产量越高

点拨　白天适当提高温度或增加CO2浓度，可有利于提高光合产量，夜晚不进行光合作用，适当降低温度可降低呼吸速率从而减少有机物消耗，故适当提高昼夜温差可提高作物有机物积累量，从而提高作物产量。

然而，昼夜温差并非越大越好，因为夜晚温度过低时，呼吸酶活性过小，当呼吸作用被过度抑制时，必将减弱矿质离子的吸收等代谢过程，从而制约次日的光合作用，这对作物生长显然不利。

易错点3　误认为14C转移途径为14CO2→14C3→14C5→14（CH2O）

点拨　光合作用暗反应中C5的作用在于固定CO2形成C3，14CO2中的14C转移途径为14CO2→14C3→（14CH2O），中间没有C5参与，C5的作用为C5＋CO2→2C3→（CH2O）＋C5，C5被用于再次固定CO2，不能理解为C5生成（CH2O）。

易错点4　误认为只能是光反应制约暗反应，暗反应不会制约光反应，从而认为停止CO2供应时，不影响O2产生

点拨　光反应为暗反应提供[H]和ATP，故光反应停止时，暗反应无法进行，然而光反应也需暗反应为之提供ADP、Pi和NADP＋等，故暗反应停止（如撤掉CO2供应）时，光反应也将受制约，从而导致O2产生速率下降。

易错点5　误认为光照下密闭容器中植物周围空气中CO2浓度不变时，叶肉细胞的光合速率＝呼吸速率

点拨　一株放在密闭容器中的植物，当给以光照，此容器内二氧化碳浓度不变时，不要认为此时叶肉细胞二氧化碳的吸收量等于释放量，事实上是整个植株二氧化碳的吸收量与释放量相等。

因为植株还有非绿色组织，该部分只能进行呼吸作用产生二氧化碳，而对于叶肉细胞来说，二氧化碳的吸收量大于释放量，即“叶肉细胞”的光合速率抵销“所有细胞”呼吸速率时密闭容器中CO2不变（既不增加也不减少）。

[规范答题]

（2016·江西高安中学、玉山一中等九校联考）某校生物兴趣小组利用分布广泛的黑藻为实验材料，研究环境因素对光合作用强度的影响，图1是根据实验数据绘制的曲线，图2为黑藻叶绿体结构和功能示意图。

请分析回答问题：

兴趣小组将黑藻浸在加有适宜培养液的大试管中（室温20℃），以白炽灯为光源，通过移动白炽灯，改变光源与大试管间的距离，观测黑藻放出气泡的情况，结果如图1中曲线x所示。

（1）该实验研究的是________对光合速率的影响，用________________作为光合速率的检测指标。

（2）若将灯的距离固定在20cm，温度适宜，光照较长时间后发现试管中的黑藻在单位时间内产生的气泡数逐渐减少，产生这一现象的原因是________________________________________________________________。

（3）该小组在室温、10℃和30℃时分别进行了实验，结果如图1，D点的限制因素是________。

（4）研究者分离黑藻叶绿体（图2），并在适宜条件下培养，由结构①转移至结构②物质主要是________。

（5）当光源与大试管间的距离由45cm逐渐改变为90cm的过程中，图2中反应Ⅱ中的两个化学反应过程变慢的先后顺序是____________________________

________________________________________________________________。

（6）在实验过程中，用H

O培养黑藻，发现叶肉细胞中出现了（CH

O），分析其最可能的转化途径是：

____________________。

（用相关物质、过程和箭头表示）

答卷采样·原处纠错

纠错依据

（1）对光与光照强度的含义理解不清

（2）对光合速率的检测指标理解不到位

没有将图文结合进行审题

对还原性氢书写不规范

对氧元素在有氧呼吸和光合作用中的来源，去向不清楚

随堂·真题演练

1.（2015·海南卷，9）植物甲与植物乙的净光合速率随叶片温度（叶温）变化的趋势如图所示。

下列叙述错误的是（　　）

A.植物甲和乙光合作用所需要的能量都来自于太阳能

B.叶温在36～50℃时，植物甲的净光合速率比植物乙的高

C.叶温为25℃时，植物甲的光合作用与呼吸作用强度的差值不同于植物乙的

D.叶温为35℃时，甲、乙两种植物的光合作用与呼吸作用强度的差值均为0

解析　植物光合作用所需能量的最终源头是来自太阳能，A正确；由题图可知：

叶温在36～50℃时，植物甲的净光合速率始终比植物乙的高，B正确；植物进行光合作用时，总光合速率—呼吸速率＝净光合速率，叶温为25℃时，植物甲的净光合速率小于植物乙的净光合速率，所以C正确；同理，叶温为35℃时，植物甲与植物乙的净光合速率相同，但不为0，D错误。

答案　D

2.（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

解析　Mg是合成叶绿素a和叶绿素b的必需元素；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，用于光合作用的光反应过程；叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同；叶绿素不能有效地吸收绿光，绿光被反射出去，使植物呈现绿色。

答案　D

3.（2015·课标卷Ⅰ，29）为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。

各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。

处理方法和实验结果如下：

A组：

先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%。

B组：

先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%。

C组：

先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%。

D组（对照组）：

光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%。

回答下列问题：

（1）单位光照时间内，C组植物合成有机物的量________（填“高于”“等于”或“低于”）D组植物合成有机物的量，依据是________________；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要________，这些反应发生的部位是叶绿体的________。

（2）A、B、C三组处理相比，随着________的增加，使光下产生的________能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。

解析　

（1）C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94%，说明C组黑暗条件下进行了部分光合作用，暗反应消耗了ATP和[H]，为下一次的光照时间内光反应提供了充足的原料ADP、Pi和NA