2024年高中生物新教材同步必修第一冊 第5章 微專題四　光合作用與細胞呼吸的關系、曲線模型及相關實驗設計

光合作用與細胞呼吸的關系、曲線模型及相關實驗設計一、光合作用與細胞呼吸的關系1．光合作用和細胞呼吸的聯(lián)系與區(qū)別項目光合作用有氧呼吸代謝類型合成作用(或同化作用)分解作用(或異化作用)物質變化無機物eq\o(→,\s\up7(合成))有機物有機物eq\o(→,\s\up7(分解))無機物能量變化光能→化學能(儲能)化學能→ATP、熱能(放能)實質合成有機物，儲存能量分解有機物、釋放能量，供細胞利用場所葉綠體活細胞(主要在線粒體)條件只在光下進行有光、無光都能進行聯(lián)系(1)物質方面①C：CO2eq\o(→,\s\up7(暗反應))(CH2O)eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第一階段))丙酮酸eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第二階段))CO2。②O：H2Oeq\o(→,\s\up7(光反應))O2eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第三階段))H2O。③H：H2Oeq\o(→,\s\up7(光反應))NADPHeq\o(→,\s\up7(暗反應))(CH2O)eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第一、二階段))[H]eq\o(→,\s\up7(有氧呼吸第三階段))H2O。(2)能量方面：光能eq\o(→,\s\up7(光反應))ATP和NADPH中的能量eq\o(→,\s\up7(暗),\s\do5(反應))CH2O中的能量eq\o(→,\s\up7(細胞),\s\do5(呼吸))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(熱能,ATP中的能量→各項生命活動))2．微觀辨析真正(總)光合速率、凈光合速率和呼吸速率的關系(以光合速率大于呼吸速率為例)(1)綠色植物組織在黑暗條件下測得的數值表示呼吸速率。(2)綠色植物組織在有光的條件下，光合作用與細胞呼吸同時進行，測得的數值表示凈光合速率。(3)(總)光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率。用O2、CO2或葡萄糖的量表示如下：①光合作用產生的O2量＝實際測得的O2釋放量＋細胞呼吸消耗的O2量。②光合作用固定的CO2量＝實際測得的CO2吸收量＋細胞呼吸釋放的CO2量。③光合作用產生的葡萄糖量＝葡萄糖的積累量(增重部分)＋細胞呼吸消耗的葡萄糖量。3．光飽和點和補償點的移動問題(1)細胞呼吸對應點(A點)的移動：細胞呼吸增強，A點下移，細胞呼吸減弱，A點上移。(2)補償點(B點)的移動①細胞呼吸速率增加，其他條件不變時，CO2(或光)補償點應右移，反之左移。②細胞呼吸速率基本不變，相關條件的改變使光合速率下降時，CO2(或光)補償點應右移，反之左移。(3)飽和點(D點)的移動相關條件的改變(如增大光照強度或增大CO2濃度)使光合速率增大時，D點右移，C點上移的同時右移；反之，移動方向相反。方法技巧光補償點和光飽和點移動的規(guī)律例1如圖表示光合作用與細胞呼吸過程中部分物質變化的關系。下列說法正確的是()A．圖中①②過程消耗ATP，③④⑤過程產生ATPB．①②過程在葉綠體中進行，③④⑤過程在線粒體中進行C．①過程產生的NADPH參與②過程，③和④過程產生的[H]與氧結合產生水D．高等植物所有的細胞都可以進行①②③④⑤過程答案C解析分析圖示可知，①過程表示光反應階段，②過程表示暗反應階段，①過程產生的ATP用于②過程，③④⑤表示有氧呼吸全過程，三個階段都產生ATP，A錯誤；真核細胞中，①②過程在葉綠體中進行，③過程在細胞質基質中進行，④⑤過程在線粒體中進行，B錯誤；①光反應階段產生的NADPH參與②暗反應中C3的還原，③和④過程產生的[H]都在有氧呼吸的第三階段與氧結合產生水，C正確；高等植物所有的細胞不一定都可以進行①②過程，如高等植物的根尖細胞不能進行光合作用，因此不能進行①②過程，D錯誤。例2龍血樹在《本草綱目》中被譽為“活血圣藥”，有消腫止痛、收斂止血的功效。圖甲、乙分別為龍血樹在不同條件下相關指標的變化曲線(單位：mmol·cm－2·h－1)。下列敘述錯誤的是()A．據圖甲分析，溫度為30℃和40℃時，葉綠體消耗二氧化碳的速率相等B．40℃條件下，若黑夜和白天時間相等，龍血樹能正常生長C．補充適量的無機鹽可能導致圖乙中D點左移D．圖乙中影響D、E兩點光合速率的主要環(huán)境因素相同答案B解析葉綠體消耗二氧化碳的速率表示總光合速率，總光合速率＝呼吸速率＋凈光合速率，據圖甲分析，溫度為30℃和40℃時，葉綠體消耗二氧化碳的速率相等，A正確；40℃條件下，凈光合速率等于呼吸速率，若黑夜和白天時間相等，則植物積累有機物的量為(5＋5)×12－5×24＝0，故龍血樹不能正常生長，B錯誤；補充適量無機鹽可能使龍血樹的光合速率增加，則光補償點變小，D點左移，C正確；圖乙中影響D、E兩點光合速率的主要環(huán)境因素相同——光照強度，D正確。二、自然環(huán)境及密閉容器中光合作用變化的模型圖甲為自然環(huán)境中一晝夜CO2吸收和釋放變化曲線，圖乙為密閉玻璃罩內CO2濃度與時間的關系曲線。圖甲：夏季一晝夜CO2吸收和釋放變化曲線圖乙：密閉玻璃罩內CO2濃度與時間的關系曲線b點：凌晨2～4時，溫度降低，細胞呼吸減弱，CO2釋放減少。c點：有微弱光照，植物開始進行光合作用。cd段：光合速率小于呼吸速率。d點：上午7時左右，光合速率等于呼吸速率。dh段：光合速率大于呼吸速率。f點：溫度過高，部分氣孔關閉，出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象。h點：下午6時左右，光合速率等于呼吸速率。hi段：光合速率小于呼吸速率。ij段：無光照，光合作用停止，只進行細胞呼吸AC段：無光照，植物只進行細胞呼吸。AB段：溫度降低，細胞呼吸減弱。CD段：4時后，有微弱光照，開始進行光合作用，但光合作用強度小于細胞呼吸強度。D點：隨光照增強，光合作用強度等于細胞呼吸強度。DH段：光合作用強度大于細胞呼吸強度。其中EF段出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象。H點：隨光照減弱，光合作用強度下降，此時光合作用強度等于細胞呼吸強度。HJ段：光照繼續(xù)減弱，光合作用強度小于細胞呼吸強度，直至光合作用完全停止(1)有關有機物變化情況的分析(圖甲中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是曲線與橫縱坐標圍成的面積)①能進行光合作用制造有機物時間段：ci段(CI段)；消耗有機物時間段：aj段(AJ段)。②積累有機物時間段：dh段(DH段)；一天中有機物積累最多的時間點：h點(H點)。③光補償點：d點和h點(D點和H點)。④圖甲：一晝夜有機物積累量＝SⅡ－(SⅠ＋SⅢ)。(2)相對密閉環(huán)境中，一晝夜植物體內有機物總量變化分析(圖乙)積累量可用J點與A點對應的CO2濃度的差值表示，據此可判斷24小時該植物是否積累有機物。①如果J點低于A點，說明經過一晝夜，光合作用制造的有機物多于細胞呼吸消耗的有機物(光合作用CO2固定量大于細胞呼吸CO2產生量)，植物體內的有機物總量增加。②如果J點高于A點，說明經過一晝夜，植物體內的有機物總量減少。③如果J點等于A點，說明經過一晝夜，植物體內的有機物總量不變。例3將一植株放在密閉玻璃罩內，置于室外一晝夜，獲得實驗結果如圖所示。下列有關說法錯誤的是()A．圖甲中的光合作用開始于C點之前，結束于F點之后B．到達圖乙中的d點時，玻璃罩內的CO2濃度最高C．圖甲中的F點對應圖乙中的g點D．經過這一晝夜之后，植物體的有機物含量會增加答案C解析圖甲中的C、F點表示光合作用速率等于細胞呼吸速率，根據相應的時間可知，與圖乙中的d、h點相符，即C點對應d點，F(xiàn)點對應h點，C錯誤。例4(2023·河北石家莊高一校聯(lián)考期末)某實驗研究員對密閉蔬菜大棚中的黃瓜植株進行了一晝夜的光合作用和細胞呼吸調查，結果如圖所示，SM、SN、Sm分別表示圖中相應圖形的面積。下列敘述正確的是()A．E點時大棚中CO2濃度最高，O2濃度最低B．經過一晝夜后，黃瓜植株的凈增加量應為Sm－SM－SNC．B點時產生ATP的場所只有線粒體和細胞質基質D．D點時黃瓜葉肉細胞中，其光合速率等于細胞呼吸速率答案B解析B點之前經過一晚上的細胞呼吸釋放CO2，此時大棚中的CO2濃度達到最大，此后由于光合作用大于細胞呼吸，CO2濃度開始下降；同時由于晚上消耗O2，此時O2濃度最低，即B點時大棚中CO2濃度最高，O2濃度最低，A錯誤；圖中SM、SN均表示細胞呼吸消耗的有機物量，Sm表示光合作用積累的有機物量，因此，經過一晝夜后，黃瓜植株的凈增加量應為Sm－SM－SN，B正確；圖中B點時光合速率等于細胞呼吸速率，此時既進行光合作用，也進行細胞呼吸，則植物體內產生ATP的場所有線粒體、細胞質基質和葉綠體(類囊體薄膜)，C錯誤；D點表示CO2的吸收量等于CO2的釋放量，說明D點時黃瓜植株光合速率等于細胞呼吸速率，但在葉肉細胞中，其光合速率大于細胞呼吸速率，D錯誤。三、測定光合速率和呼吸速率的方法1．“裝置圖法”測定光合速率與呼吸速率(1)測定裝置(2)測定方法及解讀①測定呼吸速率(裝置甲)a．裝置甲燒杯中放入適宜濃度NaOH溶液用于吸收CO2。b．玻璃鐘罩遮光處理，以排除光合作用的干擾。c．置于適宜溫度環(huán)境中。d．紅色液滴向左移動(用紅色液滴單位時間內向左移動的距離代表呼吸速率)。②測定凈光合速率(裝置乙)a．裝置乙燒杯中放入適宜濃度的CO2緩沖液，用于保證容器內CO2濃度恒定，滿足光合作用需求。b．必須給予較強光照處理，且溫度適宜。c．紅色液滴向右移動(用紅色液滴單位時間內向右移動的距離代表凈光合速率)。③根據“總(真正)光合速率＝呼吸速率＋凈光合速率”可計算得到總(真正)光合速率。物理誤差的校正：為防止氣壓、溫度等物理因素所引起的誤差，應設置對照實驗，即用死亡的綠色植物分別進行上述實驗，根據紅色液滴的移動距離對原實驗結果進行校正。2．葉圓片稱重法測定單位時間、單位面積葉片中淀粉的生成量，如圖所示以有機物的變化量測定光合速率(S為葉圓片面積)。凈光合速率＝(z－y)/2S；呼吸速率＝(x－y)/2S；總光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。3．黑白瓶法“黑白瓶”問題是一類通過凈光合作用強度和有氧呼吸強度推算總光合作用強度的試題，其中“黑瓶”不透光，測定的是有氧呼吸量；“白瓶”給予光照，測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，黑瓶中氧氣的減少量(或二氧化碳的增加量)為有氧呼吸量；白瓶中氧氣的增加量(或二氧化碳的減少量)為凈光合作用量；二者之和為總光合作用量。規(guī)律2：沒有初始值的情況下，白瓶中測得的現(xiàn)有量與黑瓶中測得的現(xiàn)有量之差即總光合作用量。4．半葉法如圖所示，將植物對稱葉片的一部分(A)遮光，另一部分(B)則留在光下進行光合作用(即不作處理)，并采用適當的方法阻止兩部分的物質和能量轉移。一定時間后，在這兩部分葉片的對應部位截取同等面積的葉片，分別烘干稱重，記為MA、MB，開始時二者相應的有機物含量應視為相等，照光后的葉片重量大于暗處的葉片重量，超過部分即為光合作用產物的量，再通過計算可得出光合速率。例5某興趣小組設計了如圖所示的實驗裝置若干組，室溫25℃下進行了一系列的實驗，對實驗過程中裝置條件及結果的敘述，錯誤的是()A．若X溶液為二氧化碳緩沖液并給予光照時，液滴移動距離可表示凈光合作用強度的大小B．若要測真正光合作用強度，需另加設一裝置遮光處理，X溶液為NaOH溶液C．若X溶液為清水并給予光照，光合作用強度大于細胞呼吸強度時，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，液滴左移答案C解析清水既不吸收和釋放氧氣，也不吸收和釋放二氧化碳，光合作用和細胞呼吸產生和釋放的氧氣量和二氧化碳量相等，液滴不移動，C錯誤。例6某研究小組為測定不同光照條件下黑藻的光合速率，將等量且生理狀態(tài)相同的黑藻植株，分裝于6對黑白瓶(白瓶透光，黑瓶不透光)中，并向瓶中加入等量且溶氧量相同的干凈湖水，分別置于六種不同的光照條件下，24h后6對黑白瓶中溶氧量變化情況(不考慮其他生物)如表。下列說法錯誤的是()光照強度(klx)0(黑暗)abcde白瓶溶氧量(mg/L)－7＋0＋6＋8＋10＋10黑瓶溶氧量(mg/L)－7－7－7－7－7－7A.可以根據黑瓶中溶氧量的變化來計算實驗條件下黑藻的呼吸速率B．該實驗條件下光照強度為a時白瓶中的黑藻不能生長C．白瓶中，當光照強度為d時，若其他條件不變，顯著降低CO2濃度，短時間內葉肉細胞中C5含量減少D．可以根據白瓶中溶氧量的變化計算不同光照強度下黑藻的凈光合速率答案C解析由題表分析可知，黑瓶中黑藻不能進行光合作用，只能進行細胞呼吸，其中溶氧量的減少代表水體中生物的呼吸速率，不考慮其他生物，因此可以根據黑瓶中溶氧量的變化來計算實驗條件下黑藻的呼吸速率，A正確；表中光照強度為a時，白瓶中溶解氧變化量為0，說明此時黑藻的凈光合速率為0，因此，該光照條件下的黑藻不能生長，B正確；白瓶中，當光照強度為d時，若其他條件不變，顯著降低CO2濃度，則會導致C5的消耗量減少，而C3的還原過程基本不變，因此，短時間內葉肉細胞中C5含量增加，C錯誤；綜合分析可知，白瓶中溶氧量的變化代表黑藻的凈光合速率，因此可根據白瓶中溶氧量的變化計算不同光照強度下黑藻的凈光合速率，D正確。1．如圖所示為甘蔗一個葉肉細胞內的系列反應過程，下列有關說法正確的是()A．過程①中葉綠體中的四種色素都主要吸收藍紫光和紅光B．過程②發(fā)生在葉綠體基質，過程③發(fā)生在線粒體C．過程①產生NADPH，過程②消耗NADPH，過程③既產生也消耗NADHD．若過程②的速率大于過程③的速率，則甘蔗的干重就會增加答案C解析由圖分析可知，①是光反應階段，②是暗反應階段，③是細胞呼吸生成ATP，④是ATP中的能量用于各項生命活動。光反應中吸收光能的色素中，葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，胡蘿卜素主要吸收藍紫光，A錯誤；暗反應階段發(fā)生在葉綠體基質中，細胞呼吸產生ATP的場所是細胞質基質和線粒體，B錯誤；如果暗反應的速率大于呼吸速率，只能說明這一個葉肉細胞的光合作用強度大于細胞呼吸強度，但整個植株的干重不一定會增加，D錯誤。2．如果將一株綠色植物栽培在含H218O的完全培養(yǎng)液中，給予充足的光照，經過一段時間后，下列物質中能含18O的是()①周圍空氣的氧氣②周圍空氣的二氧化碳③周圍空氣的水分子④光合作用產生的葡萄糖A．①B．①③C．①②③D．①②③④答案D解析水的光解產生氧氣，周圍空氣中的氧氣含有18O，①正確；水參與細胞呼吸過程，與丙酮酸反應產生二氧化碳釋放到空氣中，②正確；植物吸收的水大多數用于蒸騰作用散失到空氣中，③正確；由于周圍空氣的二氧化碳含18O，二氧化碳是光合作用的原料，光合作用生成的葡萄糖也含有18O，④正確。3．圖甲表示某植物在不同光照強度下單位時間內CO2釋放量和O2產生總量的變化。圖乙表示該植物在不同光照強度下單位時間內CO2吸收量或CO2釋放量。假設不同光照強度下細胞呼吸強度相等，下列敘述正確的是()A．圖甲中，a點時該植物產生ATP的場所只有線粒體B．圖甲中，c點時該植物光合作用速率與細胞呼吸速率相等C．圖甲中的d點對應對乙中的h點，都代表該植物的光飽和點D．若將環(huán)境中的CO2濃度增加，圖乙中的光飽和點一定會發(fā)生改變答案B解析圖甲中，a點時該植物只進行細胞呼吸，該植物產生ATP的場所有線粒體、細胞質基質，A錯誤；圖甲中，a點光照強度條件下，O2的產生總量為0，植物不進行光合作用，此時的CO2釋放量可表示細胞呼吸速率，c點時O2的產生總量為6，即c點時該植物光合作用速率與細胞呼吸速率相等，B正確；圖甲顯示的O2產生總量反映的是真正光合作用的量，CO2釋放量＝細胞呼吸CO2產生量－光合作用CO2消耗量，圖甲中d點只能說明此時光合作用速率＞細胞呼吸速率；而圖乙中的h點為光的飽和點，故d點不一定對應h點，C錯誤；若將環(huán)境中的CO2濃度增加，圖乙中的光飽和點不一定會發(fā)生改變，D錯誤。4．如圖是密閉大棚內番茄在24小時測得的CO2含量和CO2吸收速率的變化曲線圖。下列有關敘述錯誤的是()A．a點CO2釋放量減少可能是由于溫度降低使細胞呼吸減弱B．d點時光合速率雖有所下降，但仍大于呼吸速率C．如果N點低于M點，說明經過一晝夜，植物體內的有機物總量增加D．番茄通過光合作用制造有機物的時間是ce段答案D解析a點之后CO2的釋放量又增加，可推測a點是溫度降低導致細胞呼吸減弱，CO2釋放量減少，A正確；d點時氣溫高，蒸騰作用過強導致部分氣孔關閉，CO2供應不足，光合速率下降，但凈光合速率仍大于0，即光合速率仍大于呼吸速率，B正確；番茄通過光合作用制造有機物的時間是bf段，ce段屬于有機物的積累階段，D錯誤。5．用等體積的黑、白玻璃瓶從某池塘水深0.5m處的同一位置取滿水樣，密封后再置于原來的水層中。一晝夜后取出，分別測定兩瓶中的氧氣量，結果如表(不考慮化能合成作用和無氧呼吸)。下列有關分析正確的是()透光白玻璃瓶不透光黑玻璃瓶5.6mg3.8mgA．白瓶中浮游植物的細胞內產生ATP的場所是細胞質基質和線粒體B．在一晝夜后，白瓶中水樣的pH比黑瓶中的低C．在一晝夜內，黑瓶中的生物通過細胞呼吸消耗的氧氣量約為1.8mgD．在一晝夜內，白瓶中的生產者通過光合作用產生的氧氣量約為1.8mg答案D解析白瓶中浮游植物的細胞既可以進行光合作用，也可進行細胞呼吸，故產生ATP的場所有葉綠體、細胞質基質和線粒體，A錯誤；一晝夜后，白瓶中溶氧量增加，說明有二氧化碳的吸收，故其中水樣的pH比黑瓶中的高，B錯誤；不透光黑瓶中的起始氧氣量未知，無法計算出黑瓶中的生物通過細胞呼吸消耗的氧氣量，C錯誤；設原來瓶中溶氧量為x，一晝夜內，白瓶中生產者真正光合作用釋放的氧氣量約為凈光合作用釋放氧氣量＋細胞呼吸消耗氧氣量＝(5.6－x)＋(x－3.8)＝1.8(mg)，D正確。6．為測定光合作用速率的變化，某科研小組將番茄放入密閉的透明玻璃小室中，如圖甲所示。將該裝置放于自然環(huán)境中，測定夏季一晝夜小室內植物O2釋放速率的變化，結果如圖乙。請據圖分析并回答下列問題：(1)圖乙曲線中，a～b段上升的原因是____________________________；e～f段下降是因為____________________________，從而導致光合速率下降；h點時番茄葉肉細胞內產生ATP的場所有________________________。(2)圖乙曲線中d點時刻，圖甲裝置中有色液滴的位置位于起始位置(0點)的________(填“左側”“右側”或“起始位置”)。有色液滴移到最右側對應圖乙曲線中的________點。小組成員在上午某段時間內，記錄有色液滴移動位置時，獲得了以下數據：每隔20分鐘記錄一次數據……11131723……則該組實驗數據是在圖乙曲線的________段獲得的。(3)如果要測定該植物的真正光合速率，還需增加一組實驗，其設計思路是：______