高中生物：光合作用

光合作用

一、學習目標

1、光合作用光反應(yīng)和碳反應(yīng)的過程

2、光合色素的提取與分離

3、光合作用影響因素

二、學習重難點

1、光合作用的過程2、影響光合作用的環(huán)境因素

三、學習過程

1、自養(yǎng)生物

異養(yǎng)生物

構(gòu)和生理過程,圖中PSI［和PSI為葉綠素類胡蘿卜素蛋白質(zhì)構(gòu)成的復合體?；卮鹣铝袉栴}:

(1)圖中的PSH色素復合體,其核心是一個葉綠素a分子。

復合體中的各種色素將吸收的光能傳遞到葉綠素a上，

使葉綠素a分子活化,釋放出高能電子(e),e經(jīng)一系

列傳遞后，最終與［X］結(jié)合形成NADPH,

(2)甲結(jié)構(gòu)為，是發(fā)生圖中反應(yīng)過程的場所。

甲結(jié)構(gòu)內(nèi)H，的來源,除產(chǎn)生外,還

有從葉綠體基質(zhì)中吸收,其中后者需要直接提供能量。

(1)NADP\H"(2)類囊體膜(或光合膜)水在光下裂解高能電子

典型例題2：如圖是馬鈴薯下側(cè)葉片光合作用產(chǎn)物的形成及運輸示意圖，其中A、B、C表示

物質(zhì)，①②③表示過程?已知葉綠體膜上的磷酸轉(zhuǎn)運器轉(zhuǎn)運1分子三碳糖的同時運進1分子

Pi；馬鈴薯下側(cè)葉片合成的有機物主要通過韌皮部運向塊莖貯藏。請回答：

|塊莖細胞B------淀粉

(1)圖中A、C分別代表、o

(2)卡爾文循環(huán)與光反應(yīng)密切相關(guān),圖中②過程需要光反應(yīng)提供；若③的功

能減弱,則進入葉綠體的減少，使三碳糖大量積累在葉綠體基質(zhì)中，也導致光反應(yīng)合

成的數(shù)量下降,卡爾文循環(huán)減速。

(3)馬鈴薯塊莖細胞中的淀粉主要貯存在(填細胞器)。若摘除一部分塊莖，葉肉細胞

液泡中的B含量會,原因是?

(l)RuBP淀粉(2)ATP和NADPHPiATP(3)白色體增加運出葉綠體的蔗糖量減少,

會使進入液泡的量增加

3、光合作用過程中相關(guān)物質(zhì)的含量變化

°6121824時間/h

兩種化合物相對含

量的變化曲線圖，以下分析和判斷，正確的是()

A.m表示RuBP，因為夜間葉綠體不能產(chǎn)生ATP和

NADPH,RuBP因缺少ATP不能與CO?結(jié)合而積累

B.5?9時光合作用的最大限制因子是溫度,11?

15時最大的限制因子是光照和CO?

時間（時）

C.16?20時兩種物質(zhì)含量變化的主要原因是環(huán)境024681012141618202224

因素的改變引起植物氣孔開放和ATP、NADPH生成減少

D.環(huán)境因素的變化引起植物呼吸作用增強產(chǎn)生較多的CO?是16~20時兩種物質(zhì)含量變化的

主要原因

典型例題4：為研究光合作用碳反應(yīng)過程，卡爾文在光照充足的條件下，用"C02和小球藻

作為實驗材料進行相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在改變C02濃度的條件下，兩種物質(zhì)（三碳酸、RuBP）

含量呈現(xiàn)規(guī)律性變化（如圖所示）。下列敘述錯誤的是（）

擲

影

H

g五

譯

A.曲線1表示三碳酸，曲線2表示RuBP

B.由圖可知，降低環(huán)境中C02的濃度，一段時間后RuBP含量上升

C.由實驗結(jié)果可推測C02的最初受體可能為RuBP

D.通過檢測小球藻含14c物質(zhì)出現(xiàn)順序可推測C02固定的最初產(chǎn)物

4、光合色素及提取與分離實驗

光合色素的功能：__________________________________________________

色素種類葉綠素（約3/4）類胡蘿卜素（約1/4）

葉綠素a葉綠素b胡蘿卜素葉黃素

顏色

|分布

吸收光譜__________________________________________________________________________

化學特性

分離方法

色素正常正常葉片的葉綠素和類胡蘿卜素的比例藥為3:1,且對綠光吸收最少，所以正常

與葉綠色葉片總是呈現(xiàn)綠色______________________________________________________

片顏葉恒一

色變黃

葉至秋天降溫時，部分植物體為適應(yīng)寒冷環(huán)境,體內(nèi)積累了較多的可溶性糖，有利于形

變紅成紅色的花青素（儲存于中），而葉綠素因寒冷逐漸降解，葉子呈現(xiàn)紅色

光合色素的提取與分離

加少許SiO?和CaCO,、2~3mL95%

|提取色素］—的酒精,充分、迅速研磨并用單層

尼龍布過濾色素帶位置

1制外、［爾攵U-將濾紙條一端剪去兩角，在距這一端

巴史譬上廠底部1cm處用鉛筆畫一條細的橫線色素帶寬度

用毛細吸管吸取少量濾液，沿鉛筆

一一二線畫一條均勻細宜的線,待濾液干

提取液綠色偏淡

——后再畫一次,共畫3~4次

將適量層析液倒入大試管中，插入

分離色索濾紙條（有泄液細線的一端朝下）〉色素帶不齊

用軟木塞塞緊試管口

而衣葭典1灌紙條上呈現(xiàn)四條顏色、寬度不同

觀察第果L的色索帶正常光照

典型例題5：范菜葉片細胞中除了葉綠體含有色素外，液泡中也含有溶于水但不溶于有機溶

劑的花青素（呈現(xiàn)紅色）。某探究小組用50強的乙醉提取范菜葉片中的色素，然后用層析液分

離。層析結(jié)束后濾紙條上色素帶由上到下,敘述正確的是（）

A.第4條色素帶對應(yīng)的色素在層析液中溶解度最小

B.正常情況下第1條色素帶比第3條色素帶窄

C.第3條色素帶對應(yīng)的色素是呈現(xiàn)黃綠色的葉綠素b

D.如果采用圓形濾紙法分離色素,則最外一圈的顏色為紅色

典型例題6：下列關(guān)于“光合色素的提取與分離”活動的敘述，正確的是（）

A.提取色素時，研磨應(yīng)充分、細致而緩慢，力求提取更多色素

B.將研磨液倒入小玻璃漏斗時，應(yīng)在漏斗基部放一塊單層紗布

C.若收集的濾液呈淡綠色，原因可能是未加碳酸鈣、使用放置數(shù)天的菠菜葉

D.色素分離后，濾紙條最上方是胡蘿卜素，說明其在層析液中的溶解度最小

典型例題7：田間發(fā)現(xiàn)了一種突變型水稻，其葉色較黃，但大面積種植后，其光合產(chǎn)量在光

照充足條件下反而高于野生型水稻。為了探究其光合作用相關(guān)生理機制的變化，研究人員測

定了突變型水稻和野生型水稻在不同光照強度下的光合速率及葉綠素的含量，光合速率的測

定結(jié)果如下：

光照強度/kh

請回答：

（1）測定水稻葉綠素含量時，需取適量新鮮葉片，加少量石英砂、碳酸鈣粉末、2mL95%的

乙醇研磨、過濾，然后以—為空白對照，用紅光照射，測定,再將測定結(jié)果與標準

曲線比對后計算出葉綠素含量。經(jīng)測定，突變型水稻葉綠素的含量僅是野生型水稻的51%,

這一變化直接影響突變株對光的吸收。

（2）分析上圖可以看出，0?500klx光照強度范圍內(nèi)，限制突變株光合速率的主要環(huán)境因

素是，野生型光合作用更具優(yōu)勢的原因是，使光反應(yīng)產(chǎn)生

更多的，從而使碳反應(yīng)速率更高。

（3）進一步的研究表明，突變株體內(nèi)催化二氧化碳固定的Rubisc。酶的含量顯著高于野生

株。試分析在較強的光照環(huán)境中，與野生株相比，突變株體內(nèi)五碳糖的含量—。

（4）突變型光合產(chǎn)量高的另一個原因是葉綠素含量降低雖然對個別葉片不利，但在種植密

度較大的水稻田，有利于群體光合速率的提高。原因是。

（1）95%乙醇吸光率紅光和藍紫（2）光照強度葉綠素含量高，對光的吸收能力強

ATP和NADPH（3）高（4）上層葉片對光吸收少，下層葉片能接受到充足光照

5、影響光合作用的因素

（1）光合速率：

真正光合速率=表觀光合速率+呼吸速率

(2)影響因素：影響光合作用的因素有外界環(huán)境因素和內(nèi)部因素。環(huán)境因素有光照、濃度、

溫度等，相應(yīng)的內(nèi)部因素有色素種類與含量、五碳糖(RuBP)含量、酶的含量與活性等。

R

吸表觀光合作用

收光補償點

量

光飽和點;,真正光合作用

光強度

。

釋A黑暗條件下呼吸作用所放出的CO2量

放

量

-二氧化碳的濃度

b：co,的補償點p：CO,的飽和點

c

產(chǎn)

濕

(炭

藕

M誓

典型例題8：為研究溫度對某植物生長的影響，科研人員在不同溫度條件下進行了相關(guān)實驗,

結(jié)果如表。下列敘述正確的是()

溫度最大表觀光合速率光補償點光飽和點呼吸速率

2_2-1-22一

(℃)(|imol02-m--s-1)(^imolm-s)(|imol-m?(^molO2-m--si)

s-1)

1711.618.72101.60.85

2012.124.21603.81.12

2511.533.41726.51.49

309.859.72725.91.95

356.957.61429.51.68

A.該植物的光合作用和呼吸作用相比，對高溫較敏感的是呼吸作用

B.17℃時該植物的光飽和點較高，主要原因是在此溫度條件下該植物利用光能的能力較強

C,在20久條件下，當光強度達到光飽和點時，該植物的真正光合速率為12.1nmolC>2?m-2.

s-1

D.430℃相比，35久時該植物呼吸速率較小的原因可能是溫度較高，酶的活性降低

典型例題9：研究人員利用圖一裝置研究植物葉片在不同光照強度下對密閉水浴箱內(nèi)的C02

濃度變化速率的影響。實驗過程中葉片呼吸強度不變，其他條件適宜，A-E時間段光源逐漸

向左移動，測得實驗結(jié)果如圖二曲線所示。下列敘述正確的是

二氧化碳濃度變化速率

圖二

A.植物葉片葉肉細胞的呼吸速率為M，提高水浴溫度可使M增大

B.A時刻開始光照，在AB時間段內(nèi)小室中CO2濃度逐漸減小

C.D時刻葉片光合作用消耗CO?的速率為2M,且此速率在DE時間段內(nèi)逐漸減小

D.葉片光合作用在E時刻暫停，光強度是F時刻葉片光合速率的限制因素

典型例題10：夏季某晴朗的一天對一密閉蔬菜大棚中的某種氣體的含量進行24小時的檢測,

結(jié)果如圖1。圖2是葉肉細胞內(nèi)兩種細胞器間的氣體關(guān)系圖解。下列說法簿送的是

A.圖1中所測氣體為02

B.該大棚內(nèi)的蔬菜經(jīng)過一晝夜后有機物有積累

C.與它們各自的前一階段相比，EC段和DB段葉肉

細胞內(nèi)的C3含量的變化趨勢分別是減少、增加

D.處于圖1中的B點時，圖2中應(yīng)該進行的氣體

轉(zhuǎn)移途徑只有C、D

典型例題1L如圖為紅松（陽生）和人參（陰生）

在溫度、水分均適宜的條件下，光合速率與呼吸速率的比值（P/R）隨光照強度變化的曲線

圖，下列敘述正確的是（）

A.光照強度為a時，每日光照12小時，一晝夜后人參和紅松干重均減少

B.光照強度在b點之后，限制紅松P/R值增大的主要外界因素是CO?濃度

C.光照強度為c時，紅松和人參的凈光合速率相等

D.若適當增加土壤中無機鹽鎂的含量，一段時間后B植物的a點右移

典型例題12：下圖表示夏季時某植物體在不同程度遮光條件下凈光合速率

的部分日變化曲線，據(jù)圖分析有關(guān)敘述正確的是（）

A.一天中30%的適當遮光均會顯著增強凈光合速率

B.a-b段大部分葉表皮細胞能產(chǎn)生ATP的場所只有細胞溶膠和線粒體

C.M點時該植物體內(nèi)葉肉細胞消耗的二氧化碳量等于該細胞呼吸產(chǎn)生的二氧化碳量

D.c點與d點有機物含量相同

典型例題13：科研工作者研究了不同條件下大棚蔬菜葉片凈光合速率的變化，實驗結(jié)果如

下。下列敘述錯誤的是（）

瓶通

控

風

照B

m”

罐升

6至

溫

溫

、

o/隹持

卜5o5

罐升

至

隹h)

手

溫

溫

持

增

施中

濃度

、55

卜oC0

5幺h)2

o罐升

至

隹

溫

溫

持

、

增

施高

5=cp5濃度C0

卜O

一h)2

S(4o

S/

I/3o

LO

)S2o

1O

3d6d9d12d15d18d

處理天數(shù)(d)

A.由1、2組可推知，在高溫條件下，通風降溫可提高蔬菜葉片的凈光合作用速率

B.2組處理條件下溫室蔬菜葉片凈光合速率最低，可能原因是二氧化碳的供應(yīng)不足

C.由2、3組（或2、4組）可推知，在高溫條件下，增施二氧化碳可解除高溫對凈光合速

率的抑制

D.3、4組處理后期，溫室蔬菜葉片凈光合速率快速降低的可能原因蔬菜葉片內(nèi)酶快速失活

典型例題14：某實驗小組欲探究外源NO處理對干旱脅迫下玉米幼苗光合作用的影響，共做

了4組實驗。下圖中甲組為空白對照組，乙組表示用外源NO處理非干旱玉米幼苗，丙組表

示只進行干旱脅迫處理，其他條件相同且適宜，3d后測定相關(guān)指標，結(jié)果如圖所示。請回

答下列問題：

€12

10

二.

F8

g

u6

n

l4

)2

0

甲乙丙丁甲乙丙丁

外源NO處理對干旱脅迫下玉米葉片P#0Gs的影響

（1）實驗中丁組的處理為O經(jīng)相應(yīng)變量長期處理的甲組和丙組幼苗，

葉肉細胞內(nèi)的RuBP含量甲組相比丙組（較高/較低/基本相等）。

（2）欲研究干旱脅迫下光合色素含量變化，可采用（填方法）對色素進行分離，然

后再與對照組進行比較。進一步研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會使部分葉綠體基粒片層結(jié)構(gòu)解體，直

接影響光反應(yīng)，進而影響碳反應(yīng)的過程（填反應(yīng)），光合速率下降。

（3）影響光合作用的因素可分為氣孔因素和非氣孔因素。若胞間CO?濃度升高而G,下降，

則光合速率下降的主要影響因素是因素。本實驗中干旱脅迫下玉米P“的下降主要

是由引起的，由此推測，NO的作用可能是。

（4）欲確定玉米幼苗光合產(chǎn)物去向，可采用法o

（1）同時利用外源NO和干旱脅迫較高（2）紙層析法C,的還原（3）非氣孔氣

孔因素（限制）通過減輕干旱對氣孔因素的限制作用來緩解其對光合速率的抑制作用（4）

“CO：,的同位素示蹤（標記、追蹤）

典例15：不同光質(zhì)及其組合會影響植物代謝過程。以某高等綠色植物為實驗材料，研究不

同光質(zhì)對植物光合作用的影響，實驗結(jié)果如圖1,其中氣孔導度大表示氣孔開放程度大。該

高等植物葉片在持續(xù)紅光照射條件下，用不同單色光處理（30s/次），實驗結(jié)果如圖2,圖

中“藍光+綠光”表示先藍光后綠光處理，“藍光+綠光+藍光”表示先藍光再綠光后藍

光處理。

圖2

回答下列問題:

（1）高等綠色植物葉綠體中含有多種光合色素，常用方法分離。光合色素吸收的光

能轉(zhuǎn)化為ATP和NADPH中的化學能，可用于碳反應(yīng)中的還原。

（2）據(jù)圖1分析，相對于紅光，藍光照射下胞間CO2濃度低，其原因是o氣

孔主要由保衛(wèi)細胞構(gòu)成，保衛(wèi)細胞吸收水分，氣孔開放，反之關(guān)閉。由圖2可知，綠光對藍

光刺激引起的氣孔開放具有阻止作用，但這種作用可被光逆轉(zhuǎn)。由圖1、圖2可知藍

光可刺激氣孔開放，其機理是藍光可使保衛(wèi)細胞光合產(chǎn)物增多，也可以促進K+、C1-的吸

收等，最終導致保衛(wèi)細胞,細胞吸水，氣孔開放。

（3）生產(chǎn)上選用LED燈或濾光性薄膜獲得不同光質(zhì)環(huán)境，已用于某些藥用植物

的栽培。紅光和藍光以合理比例的或、合理的光照次序照射，利于次生代謝

產(chǎn)物的合成。

（1）層析3-磷酸甘油酸（三碳酸）（2）光合速率大，消耗的二氧化碳多藍

溶質(zhì)濃度升高（3）不同顏色光強度光照時間

6、光合作用科學史實驗

（1）希爾反應(yīng)

1937年，英國的科學家希爾用分離的葉綠體進行實驗，證明在有氧化劑（如高鐵鹽）

存在時，水可在光下被氧化為。2。這個實驗不僅直接證明了葉綠體是光合作用的細胞器,

而且證明了光合作用所釋放的氧來自水。即在光照下，離體葉綠體類囊體能將含有高鐵的化

合物（如高鐵氟化物）還原為低鐵化合物，并釋放氧，這個反應(yīng)稱為希爾反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

3+2++

4Fe+2H20T4Fe+4H+O2

后來發(fā)現(xiàn)生物中重要的氫載體NADP+也可以作為生理性的希爾氧化劑，從而使得希爾

反應(yīng)的生理意義得到了進一步肯定。在完整的葉綠體中NADP+作為從出0到。2的中間電

子載體，其反應(yīng)式可寫為：

+

2NADP++2H20T2NADPH+2H+02

（2）化學滲透學說一一ATP合成機制

關(guān)于光合作用中ATP合成的機制，英國科學家P.D.Mitchell提出化學滲透學說來解釋。

他認為類囊體膜中電子傳遞體中，有電子傳遞體同時能傳遞質(zhì)子，將類囊體膜外質(zhì)子運進膜

內(nèi)，造成質(zhì)子濃度差和電位差，形成質(zhì)子動力勢，當質(zhì)子返回膜外時推動ATP的合成。

葉綠體

根據(jù)ArdreJagendorf等實驗，原先在pH=8的溶液中的離體葉綠體類囊體被置于pH=4

的酸性溶液中直至H+濃度差平衡，之后被轉(zhuǎn)移到含有ADP、Pi和pH=8的緩沖液中，由

此產(chǎn)生的質(zhì)子梯度為無光情況下的ATP合成提供了驅(qū)動力。此實驗證實了化學滲透理論的預

測結(jié)果：跨膜化學勢可為ATP合成供能。

魯賓和卡門實驗

美國科學家魯賓和卡門采用同位素標記

法研究光合作用。魯賓和卡門的實驗是分3組

進行的，實驗對象是小球藻。在光照條件下，遂

碳

每一組給小球藻提供的水和碳酸氫鹽（用以供卑碳

酸

酸

氫

給CO?）中含有不同比率的18。,在其他條件比氫

菖

鹽

鹽

水5

.00.01

相同的情況下，他們分析了每一組釋放的氧氣868.5

品671501

%%次%

中18。的比率，發(fā)現(xiàn)它與水中18。的比率相稱，

而與碳酸氫鹽中18。的不同。

（4）卡爾文實驗

1946年，美國的卡爾文等將培養(yǎng)出來的小球藻放置在含有未標記CO2的密閉容器中，

然后將14c標記的CO2注入容器，培養(yǎng)相當短的時間之后，將小球藻浸入熱的乙醇中殺死

細胞，使細胞中的酶變性失效并提取到溶液里的分子。然后將提取物應(yīng)用雙向紙層析法分離

各種化合物。

再通過放射性自顯影技術(shù)分析濾紙上的放射性斑點，并與已知化學成分進行比較。在

雙向紙層析放射自顯影圖譜中鑒定出20余種帶有14c標記的化合物，包括糖磷酸酯、有機

酸和氨基酸等。

卡爾文縮短實驗時間依次測定出放射性化合物的種類，推測化合物產(chǎn)生的順序。如在5

秒鐘的光合作用后，卡爾文找到了含有放射性的C3、C5和C6等。把光照時間縮短為幾分

之一秒時，三碳酸?3）占全部放射性的90%,從而得出結(jié)論：C02固定后原初產(chǎn)物是三碳

酸《3）,碳反應(yīng)中碳轉(zhuǎn)移的途徑是：CO2fC3（三碳酸）tC3（三碳糖）tC5（C6）o

典型例題16：希爾反應(yīng)是測定葉綠體活力的常用方法。希爾反應(yīng)基本原理:光照下，葉綠體

釋放。2，同時氧化型DCPIP（2,6-二氯酚靛酚）被還原，顏色由藍色變成無色。DCPIP

顏色變化引起的吸光率變化可反映葉綠體活力。研究小組利用菠菜葉進行了葉綠體活力的測

定實驗?；卮鹩嘘P(guān)問題：

（1）制備葉綠體懸液:選取10g新鮮的菠菜葉加入研缽，研磨前加入適量的0.35mol/L的

NaCl溶液和pH為7.8的酸堿緩沖液等;研磨成勻漿后，用紗布過濾，取濾液進行,

分離得到葉綠體;將葉綠體置于溶液中，以保證葉綠體的正常形態(tài)，獲得葉綠體懸液。

（2）測定葉綠體活力:分組如下，并按表加入試劑;測定各組吸光率。

試管號磷酸緩沖液（mL）葉綠體懸液（mL）煮沸(min)DCPlP(mL)

19.40.1—0.5

29.40.150.5

39.90.1——

注：“一”表示不處理或不加入。

①希爾反應(yīng)模擬了光合作用中階段的部分變化，該階段在葉綠體的中進行，氧

化型DCPIP在希爾反應(yīng)中的作用，相當于在該階段中的作用。

②煮沸處理后，需向2號試管中加入一定量的,以保證各試管中液體的量相等。

③3號試管的作用是。

（1）離心0.35mol/L的NaQ（或等滲）（2）光反應(yīng)類囊體膜NADP+蒸鐳水

測定該濃度葉綠體懸液自身的吸光率并作為對照

典型例題17：在黑暗條件下，將分離得到的類囊體放在pH為4的緩沖溶液中，使類囊體內(nèi)外

的pH相等,然后迅速轉(zhuǎn)移到含有ADP和Pi的pH為8的緩沖溶液中，結(jié)果檢測到有ATP的生

成。根據(jù)實驗分析，下列敘述正確的是（）

A.實驗中溶液的H+均來自水的裂解

B.黑暗條件下植物葉肉細胞中的葉綠體可產(chǎn)生ATP

C.光照條件下植物細胞葉綠體中類囊體的腔內(nèi)H+濃度較高

D.若使類囊體的脂雙層對H+的通透性增大,ATP生成量不變

典型例題18：如圖1?3表示細胞中3種生物膜結(jié)構(gòu)及其所發(fā)生的部分生理過程。下列有關(guān)

敘述錯誤的是

圖1圖2圖3

A.能發(fā)生圖1過程的結(jié)構(gòu)只可能是線粒體的內(nèi)膜

B.圖2中的結(jié)構(gòu)代表質(zhì)膜，其上的膜蛋白具有識別的功能

C.圖3中的結(jié)構(gòu)代表類囊體膜，其中氧氣產(chǎn)生于類囊體膜

D.圖1和圖3中膜蛋白都具有物質(zhì)運輸和生物催化的功能

典型例題19：科學家向小球藻培養(yǎng)液中通入14co2后，分別給予小球藻不同時間的光照，結(jié)果

如表。

實驗組別光照時間（S）放射性物質(zhì)分布

12三碳酸（三碳化合物）

22012種磷酸