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【备考2023】高中生物新教材一轮复习学案
第9讲　光合作用与能量转换(Ⅰ)
[素养目标]
1．理解光合作用的概念和过程。(科学思维)
2．通过提取和分离叶绿体中色素形成科学探究能力。(科学探究)
　捕获光能的色素和结构
1．绿叶中色素的提取和分离实验
(1)实验原理
(2)实验步骤
2．叶绿体中色素的吸收光谱分析
3．叶绿体的结构与功能
(1)叶绿体的结构模式图
(2)叶绿体的功能
1．(必修1 P98“探究·实践”)绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。(√)
2．(必修1 P98“探究·实践”拓展)滤纸条上扩散速度最快的是叶绿素a。(×)
3．(必修1 P98正文)阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时形成的不同颜色的光带叫作光谱。(√)
4．(必修1 P99“学科交叉”)叶绿体中的色素一般只利用波长在400～760 nm之间的可见光。(√)
5．(必修1 P101正文)光合作用的酶分布于叶绿体内膜、外膜、类囊体薄膜和叶绿体基质中。(×)
1．必修1 P97“问题探讨”拓展：有的植物工厂在种植蔬菜等植物时，完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源，这是为什么？
提示：红色光源、蓝色光源发出的分别是红光、蓝光，光合色素对红光、蓝光吸收最多。白光是复合光，含有不同波长的光，光合色素能吸收更多的光。
2．必修1 P98“探究·实践”拓展：分离叶绿体中的色素，也可用如图所示的方法：即在圆心处滴加适量滤液，待干燥后再滴加适量层析液进行层析，结果会出现4个不同颜色的同心圆，则①～④依次对应哪种色素及颜色？
提示：①胡萝卜素(橙黄色)，②叶黄素(黄色)，③叶绿素a(蓝绿色)，④叶绿素b(黄绿色)。
1．影响叶绿素合成因素的分析[结构与功能观]
2．光合色素和光合作用场所的三点提醒[结构与功能观]
(1)色素的功能特点：叶绿素和类胡萝卜素均有主要的吸收光波段，对其他波段的可见光并非不吸收，只是吸收量较少。
(2)色素的分布位置：色素不只分布于叶绿体中，液泡中也含有色素如花青素，但是液泡中的色素不能用于光合作用。
(3)光合作用的场所：叶绿体不是细胞进行光合作用的唯一场所，如蓝细菌细胞中没有叶绿体，也能进行光合作用。
3．绿叶中色素提取与分离实验异常现象分析[科学探究]
异常现象 发生的原因
滤纸条上色素 带颜色过浅 未加二氧化硅或研磨不充分，色素未充分提取出来
使用放置数天的绿叶或绿叶用量少，滤液中的色素(叶绿素)含量太少
一次性加入大量的无水乙醇，导致提取液浓度太低
画滤液细线次数过少
选用绿叶叶脉过多，叶肉细胞过少
滤纸条色素带重叠 滤纸条没经干燥处理
滤液细线不能达到细、齐、直的要求，使色素扩散不一致
滤纸条看不到色素带 忘记画滤液细线
滤液细线触及层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中
滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带 忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏
所用叶片为“黄叶”
[探究意图：以温度影响色素合成为情境信息进行科学探究]
“霜叶红于二月花”的美丽景色，是成片的黄栌或枫叶逐渐变红形成的。假如你是某研究性学习小组的成员，请你对这一自然现象产生的原因进行实验探究。
实验假设：叶片变红现象受温度影响。
(1)围绕该实验假设，有的同学主张在实验前，需要搜集有关资料，才能对实验组的温度进行设置，该“有关资料”应为___________________________________________________。
实验材料：盆栽的黄栌或枫树、透明的恒温箱等实验用具。
(2)实验步骤：_____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)实验结果预测及结论：___________________________________________________
________________________________________________________________________。
提示：(1)当地深秋的昼夜气温变化资料(当地气象资料)
(2)①取甲、乙两组盆栽的黄栌或枫树，分别放入两只透明的恒温箱内，甲为实验组，乙为对照组；②甲组恒温箱模拟深秋时昼夜温度变化，乙组除温度为夏季温度外，其余条件都与甲组一致；③若干天后观察实验现象
(3)①如果实验组和对照组中的叶片都变红(或都不变红)，则假设不成立。②如果实验组叶片变红，对照组叶片不变红，则假设成立
突破点1　
1．下列关于“绿叶中色素的提取和分离实验”的叙述，正确的是(　　)
A．不可选择新鲜的洋葱鳞片叶作为实验材料
B．将研磨液进行过滤时，应在漏斗基部放一层滤纸
C．画滤液细线前，用圆珠笔在剪去两角的滤纸上画一条线
D．将层析出四条色素带的滤纸条在火焰旁烘干后才能保存
解析：洋葱鳞片叶不含叶绿素，所以不能选择新鲜的洋葱鳞片叶作为实验材料，A正确；对研磨液过滤时需要在玻璃漏斗的基部放一层尼龙布进行过滤，B错误；画滤液细线前，用铅笔在剪去两角的滤纸上画一条线，C错误；由于有机溶剂容易燃烧，所以不能将滤纸条烘干，应该在自然条件下干燥，D错误。
答案：A
2．如图是新鲜绿叶的四种光合色素在滤纸上分离的情况，以下说法正确的是(　　)
A．提取色素时加入碳酸钙是为了防止滤液挥发
B．水稻在收获时节，叶片中色素的含量是(甲＋乙)<(丙＋丁)
C．四种色素都能溶解在层析液中，乙色素的溶解度最大
D．四种色素中，丙和丁主要吸收红光
解析：提取色素时加入碳酸钙可防止研磨中色素被破坏，A错误。由实验结果可知，甲为叶绿素b，乙为叶绿素a，丙为叶黄素，丁为胡萝卜素。水稻在收获时节，叶绿素含量降低，低于类胡萝卜素含量，从而使叶片黄化，所以色素的含量是(甲＋乙)<(丙＋丁)，B正确。四种色素都能溶解在层析液中，丁的溶解度最大，C错误。四种色素中，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，D错误。
答案：B
突破点2　
3．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 － ＋ ＋ ＋
CaCO3 ＋ ＋ － ＋
SiO2 ＋ ＋ ＋ －
A．①②③④　　　　　　 B．②④①③
C．④②③① D．③②①④
解析：甲同学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叶绿素带要窄，对应①；丁同学未加SiO2，叶片研磨不充分，最终导致各种色素的含量均减少，对应③，B正确。
答案：B
4．在油菜的营养生长过程中，发现部分油菜植株叶片变黄，其原因可能有两种：一是镁缺乏导致________缺乏；二是类胡萝卜素含量增加。请设计实验确定叶片变黄的原因：
(1)实验设计思路：________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)预测实验结果：
①与乙组相比，如果甲组___________________________________________________
________________________________________________________________________，
则说明叶片变黄是缺乏镁所致。
②与乙组相比，如果甲组________________________________________，则说明叶片变黄是类胡萝卜素含量增加所致。
解析：探究叶片颜色变黄的原因，可通过纸层析法观察色素带的条数、宽窄和颜色深浅确定。选取质量相等的变黄叶片和正常绿色叶片，分别编号为甲组、乙组；然后采用相同的方法提取和分离甲组、乙组的色素，比较两种叶片色素的种类和含量。若缺镁造成的叶绿素减少，则在滤纸条上可能只剩下黄色和橙黄色2条色素带，或有4条色素带，离滤液细线较近的蓝绿色和黄绿色的2条色素带颜色较浅；若是由于类胡萝卜素含量增加造成的，则可以得到4条色素带，但距离滤液细线较远的黄色、橙黄色的2条色素带颜色深并且较宽。
答案：叶绿素　(1)选取质量相等的变黄叶片和正常绿色叶片，分别编号为甲组、乙组；然后采用相同的方法提取和分离甲组、乙组的色素，比较两种叶片色素的种类和含量
(2)①滤纸条上只有离滤液细线较远的2条色素带，或有4条色素带，但离滤液细线较近的2条颜色较浅
②滤纸条上有4条色素带，但离滤液细线较远的2条色素带较宽
突破点3　围绕捕获光能的色素与叶绿体的结构，考查生命观念
5．(2022·辽宁沈阳测试)高等植物的光合作用依赖光合色素。不同环境条件下，叶绿素a和叶绿素b之间可以相互转化，这种转化称为“叶绿素循环”。研究发现，在适当遮光条件下，叶绿素a/叶绿素b的值会降低，以适应环境。图中②③是两种叶绿素的吸收光谱。下列关于叶绿素的叙述，正确的是(　　)
A．图中②和③主要分布在叶绿体的内膜上
B．利用纸层析法分离色素时，③应位于滤纸条的最下端
C．植物叶片呈现绿色是由于②③主要吸收绿光
D．弱光下②的相对含量增高有利于植物对弱光的利用
解析：图中②叶绿素b、③叶绿素a主要分布在叶绿体的类囊体膜上，A错误；利用纸层析法分离色素时，②叶绿素b应位于滤纸条的最下端，B错误；植物叶片呈现绿色是由于光合色素吸收绿光最少，C错误。
答案：D
6．光合色素直接影响植物对光能的利用。下列关于绿色植物的叶绿体中光合色素的叙述，错误的是(　　)
A．叶片衰老过程中，叶绿素较易降解，导致叶片变黄
B．类囊体薄膜上的光合色素能直接促进细胞对CO2的吸收
C．黄化叶片中光合色素吸收的红光会大幅度减少
D．缺乏类胡萝卜素的水稻突变体仍能捕获蓝紫光
解析：叶片衰老过程中，叶绿素较易降解，类胡萝卜素主要呈黄色，导致叶片变黄，A正确；光合色素在光合作用中的作用是吸收、传递和转化光能，与CO2的固定无直接关系，B错误；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，叶片黄化后，叶绿素含量大量减少，因此叶片中的光合色素吸收的红光会大幅度减少，C正确；叶绿体中的叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，因此缺乏类胡萝卜素的水稻突变体仍能捕获蓝紫光，D正确。
答案：B
突破点4　围绕叶绿体的功能的实验探究，考查科学探究能力
7．(多选) (2022·山东泰安模拟)英国植物学家希尔发现：在光下，若给含叶绿体的叶片提取液(淡绿色)提供特定的与氢离子结合的氢受体2,6 D(一种墨绿色染料，接受氢离子并被还原成无色)，在无CO2时进行光照，可观察到提取液由墨绿色变为淡绿色，并释放出O2；但放在暗处，则试管中的液体仍为墨绿色，且无O2的释放，如图所示。下列有关该实验的叙述和推论，错误的是(　　)
A．该实验证明了光照条件下释放的氧气完全来自H2O的光解
B．该实验证明了光照条件下叶绿体内产生了还原性物质
C．若给A组提供14CO2等物质，可能会检测到(14CH2O)的生成
D．该实验证明了叶绿体是植物细胞合成糖类的场所
解析：该实验说明了光照条件下释放了氧气，但是不能说明氧气来自水的光解，A错误；该实验证明了光照条件下叶绿体内产生了还原性物质(氢离子)，B正确；CO2是光合作用暗反应的原料，若给A组提供14CO2等物质，可能会检测到(14CH2O)的生成，C正确；该实验只能证明叶绿体在光照条件下产生了氧气和氢离子，无法证明叶绿体是植物细胞合成糖类的场所，D错误。
答案：AD
8．德国科学家恩格尔曼利用一种绿藻(这种绿藻具有螺旋状的叶绿体)研究光对光合作用的效应。他将该种绿藻放在一张载有需氧细菌悬浮液的玻片上，这些细菌会移向氧浓度高的区域。他观察细菌在不同光照下的分布情况，结果如图所示：
(1)B情况下细菌的分布情况为________________________________________，如此分布是因为光合作用释放________。
(2)该实验证实了光合作用的场所是________，吸收光能的色素和催化反应的酶分别分布在________________、________________。
(3)恩格尔曼进行装置C的实验，其目的是________________________________，在________区域的细菌特别多。
解析：(1)B情况下光合作用释放氧气在叶绿体周围，这时细菌集中分布在叶绿体周围。(2)该实验证明了光合作用的场所是叶绿体，吸收光能的色素及催化反应的酶分布在类囊体薄膜和叶绿体基质中。(3)装置C实验的目的是找出不同颜色的光对光合作用的影响，在红光和蓝光区域细菌特别多。
答案：(1)细菌集中分布在叶绿体周围　O2　(2)叶绿体　类囊体薄膜上　类囊体薄膜上和叶绿体基质中
(3)找出不同颜色的光对光合作用的影响　红光和蓝光
恩格尔曼实验的巧妙之处
(1)实验材料选择巧妙：实验材料选择水绵，水绵不但具有细而长的带状叶绿体，而且叶绿体在细胞中呈螺旋式分布，便于观察实验结果和设置对照。
(2)排除干扰的方法巧妙：没有空气的黑暗环境排除了环境中氧气和光的干扰。
(3)观测指标设计巧妙：通过观测需氧细菌的分布，准确判断出释放氧气的部位。
(4)实验对照设计巧妙：用极细的光束点状投射，使叶绿体上分为获得光照和无光照的部位，相当于一组对照实验；进行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的对照实验，明确实验结果完全是由光照引起的。
玉米田里的白化苗长出几片叶片时会死亡，原因是什么？
提示：玉米白化苗中不含叶绿素，不能进行光合作用，待种子中储存的营养物质被消耗尽后，无法产生新的有机物，因此玉米白化苗长出几片叶片时会死亡。
　光合作用的原理
1．探索光合作用原理的部分实验
时间 科学家 发现
19世纪末 — 普遍认为在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖
1928年 — 发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖
1937年 英国植物学家希尔 发现离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂，在光照下可以释放出氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应
1941年 美国科学家鲁 宾和卡门 用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源 HO＋CO218O2 H2O＋C18O2O2
1954年 美国科学家阿尔农 发现在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现该过程总是与水的光解相伴随
2.光合作用的概念与反应式
(1)概念：指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
(2)反应式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。
3．光合作用的原理
(1)图解
填写图中序号所代表的物质或结构
a．O2；b.NADP＋；c.ADP＋Pi；d.C5。Ⅰ是光反应；Ⅱ是暗反应。
(2)光反应与暗反应的比较
项目 光反应阶段 暗反应阶段
区 别 条件 光、色素、酶、水、ADP、Pi等 多种酶、ATP、NADPH、CO2等
场所 类囊体薄膜 叶绿体基质
物质 变化 ①水的光解 2H2OH＋＋O2， H＋＋NADP＋NADPH ②ATP的形成 ADP＋Pi＋能量ATP ①CO2的固定 CO2＋C52C3 ②C3的还原 2C3(CH2O)＋C5
能量变化 光能转变成ATP和NADPH中活跃的化学能 ATP和NADPH中活跃的化学能转变成储存在(CH2O)中的稳定的化学能
联系 ①光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP＋。②没有光反应，则暗反应无法进行，没有暗反应，则有机物无法合成
[巧记]　光合作用过程的“一、二、三、四”
1．(必修1 P103～104黑体)光反应必须在光照下进行，暗反应必须在暗处进行。(×)
2．(必修1 P103“相关信息”)水分解为氧和H＋的同时，被叶绿体夺去两个电子。电子经传递可用于NADP＋与H＋结合形成NADPH。(√)
3．(必修1 P103正文)NADPH既可作还原剂，又可为暗反应提供能量。(√)
4．(必修1 P103正文)叶绿体中光合色素吸收的光能，一方面用于H2O分解产生氧和NADPH；一方面用于ATP的合成。(√)
5．(必修1 P104“相关信息”)C3是指三碳化合物——3 磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖 1,5 二磷酸(RuBP)。(√)
6．(必修1 P104“相关信息”)光合作用的产物有淀粉和蔗糖，淀粉和蔗糖可以进入筛管，通过韧皮部运输到植株各处。(×)
1．必修1 P102“思考·讨论”拓展：希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应，理由是____________________。
提示：水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的，没有碳参与反应，而糖的合成需要碳的参与
2．必修1 P102“思考·讨论”拓展：模拟鲁宾、卡门的实验时，能对同一实验中的CO2和H2O同时进行标记吗，为什么？
提示：不能，因为若CO2和H2O中的氧均标记，则无法分辨氧气的来源。
3．必修1 P103图5 14拓展：假如白天突然中断了CO2的供应，叶绿体内首先积累起来的物质是________。突然停止光照，叶绿体内含量减少的物质是________。
提示：C5　ATP、NADPH、C5
1．光合作用过程中元素的去向分析[科学思维]
2．环境改变时光合作用各物质含量的变化分析[科学思维]
(1)“过程法”分析各物质变化
下图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原，当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：
(2)“模型法”表示C3和C5含量的变化(条件改变后短时间内各物质相对含量的变化)
[提醒]　(1)C5、NADPH、ATP的变化一致。C3与C5、NADPH、ATP的变化相反。
(2)C3量高于C5量，一般C3量为C5量的2倍。
(3)对光合作用有利，则(CH2O)合成增加，反之则减少。
3．连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析[科学思维]
(1)光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。
(2)在总光照时间相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。
(3)应用：人工补光时，可适当采用“光暗交替”策略，这样，在提高光合产量的情况下，可大量节省能源成本。
[探究意图：以光合作用过程为情境信息考查科学思维]
如图表示绿色植物光合作用的部分过程，图中a～c表示相关物质，甲、乙为结构。
(1)图中所示的过程属于光合作用的________阶段，甲为________。
(2)图中a为________，b为________。当外界CO2浓度升高时，b的含量会暂时________。
(3)该过程将光能转化为化学能储存在________中。
(4)乙为叶绿体基质，是______________的场所。
提示：(1)光反应　类囊体薄膜　(2)氧气　NADPH　下降　(3)b和ATP　(4)光合作用暗反应
突破点1　结合光合作用的探究历程，考查科学思维与科学探究能力
1．光合作用的发现是众多科学家不断努力的结果。1937年，英国科学家希尔首次获得了离体叶绿体悬浮液，将此悬浮液(含水，不含CO2)与黄色的高铁(Fe3＋)盐混合，照光后发现叶绿体有气泡放出、溶液由黄色变为浅绿色(Fe2＋)。在遮光下，则没有气泡产生，也没有颜色变化。下列叙述错误的是(　　)
A．实验过程中可以检测到糖的生成
B．实验表明氧气是叶绿体在光照的条件下产生的
C．溶液颜色变化的原因是叶绿体在光照条件下生成的还原剂将Fe3＋还原为Fe2＋
D．与恩格尔曼的水绵实验相比，希尔的实验排除了细胞内其他结构的影响
解析：悬浮液中不含CO2，暗反应无法正常进行，糖类无法生成，A错误；实验现象是在照光后发现叶绿体有气泡放出、在遮光下没有气泡产生，说明氧气的产生一定要有光照，B正确；实验在光照条件下，溶液由黄色变为浅绿色(Fe2＋)，说明光反应阶段的产物NADPH可以将Fe3＋还原为Fe2＋，C正确；希尔的实验将叶绿体离体，与细胞内其他结构分开，排除了其他结构在光合作用中可能造成的影响，D正确。
答案：A
2．科学是在实验和争论中前进的，光合作用的探究历程就是如此。在下面几个关于光合作用的实验中，相关叙述正确的是(　　)
A．恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量
B．科学家发现甲醛是光合作用的原料
C．希尔发现离体叶绿体在适宜条件下可释放O2
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CO2而不是H2O
解析：恩格尔曼的实验证明了水绵光合作用生成氧气，没有定量分析生成氧气的量，A错误；甲醛对植物有害，不能作为原料参与光合作用，B错误；鲁宾、卡门实验证明O2来自H2O，D错误。
答案：C
突破点2　结合光合作用的过程，考查科学思维能力
3．如图为大豆叶片光合作用暗反应阶段示意图。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NADPH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：CO2的固定是指CO2与C5反应生成C3，C3的还原实质上是将ATP中的化学能转变为(CH2O)中的化学能，A错误；C3可接受ATP释放的能量并且被NADPH还原，再经过一系列的变化形成糖类，CO2不能直接被NADPH还原，B错误；据图分析，被还原的C3在有关酶的催化作用下，可再形成C5，C正确；光照强度减弱时，ATP和NADPH合成减少，C5生成速率减慢，而短时间内C5的利用速率不变，故短时间内C5含量降低，D错误。
答案：C
4．据下面光合作用图示判断，下列叙述不正确的是(　　)
A．⑤过程发生于叶绿体类囊体薄膜上
B．⑥过程发生于细胞质基质中
C．如用14C标记CO2来追踪光合作用过程中的碳原子，则14C的转移途径为14CO2→14C3→糖类
D．NADPH既可作还原剂，也可为暗反应提供能量
解析：根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥⑦分别表示NADPH、ATP、CO2、(CH2O)、光反应、暗反应和NADP＋。光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，暗反应发生在叶绿体基质中，A正确，B错误；光合作用过程中，CO2首先与C5相结合形成C3，然后C3被还原形成糖类等，C正确；NADPH既可作还原剂，也可为暗反应提供能量，D正确。
答案：B
5．水稻是我国南方一种重要的粮食作物，如图表示水稻细胞中的光合作用过程，图中字母代表相应物质，数字代表生理过程。请据图回答相关问题：
(1)分离类囊体中光合色素的方法是________。
(2)光照等条件适宜时，A物质的去路是________________。
(3)夏季的早晨，在忽然增强光照的情况下检测到图中的A物质产生量忽然增多，但不久又恢复到正常水平，使A物质无法维持在一个较高水平的最可能外因是__________________________________。在同一过程中C3的变化情况是__________________________________。
(4)资料显示，抗霉素A能够影响该植物的光合作用，导致NADP＋含量减少，请简要写出验证该结论的实验思路。
解析：(1)分离类囊体中光合色素的方法是纸层析法。(2)分析图形可知，A为O2，B为NADPH。光照等外部条件适宜时，植物体叶肉细胞的光合作用大于呼吸作用，此时光合作用产生的O2一部分进入线粒体中被利用，一部分释放到外界环境中。(3)夏季的早晨，若忽然增强光照，则光反应增强，O2产生量忽然增多，由于受到暗反应的制约，O2的产生量无法维持在一个较高的水平，此时制约暗反应的外因最可能是环境中的CO2浓度，故A物质无法维持在一个较高水平的最可能外因是环境中CO2的供应量未能同步增加。该过程中C3的变化情况是先忽然减少，不久又恢复到正常水平。(4)要验证抗霉素A能够影响该植物的光合作用，导致NADP＋含量减少，应取生理状况一致、大小相同的水稻叶片，并均分为两组，一组用抗霉素A处理，一组不做处理(或用清水处理)，置于相同且适宜的条件下，一段时间后，分别检测两组叶片中NADP＋的含量。
答案：(1)纸层析法　(2)被线粒体利用、释放到细胞外　(3)环境中CO2的供应量未能同步增加(合理即可)　先忽然减少，不久又恢复到正常水平　(4)取生理状况一致、大小相同的水稻叶片均分为两组，一组用抗霉素A处理，一组不做处理(或用清水处理)，一段时间后分别检测两组叶片中NADP＋的含量。
突破点3　围绕不同条件下光合作用过程中物质含量的变化分析，考查科学思维能力
6．(2022·福建厦门检测)光合作用通过密切关联的两大阶段——光反应和暗反应实现。对于改变反应条件而引起的变化，下列说法正确的是(　　)
A．突然中断CO2供应，会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值减小
B．突然中断CO2供应，会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值增大
C．突然将红光改变为绿光，会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值减小
D．突然将绿光改变为红光，会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP的值减小
解析：突然中断CO2供应，导致CO2的固定速率降低，叶绿体中C5含量增加、C3含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中C5/C3的值增加，A错误；突然将红光改变为绿光后，光能利用率降低，ATP和NADPH含量减少，进而使C3含量增加、C5含量减少，因此会暂时引起叶绿体基质中C3/C5的值增大，C错误；突然将绿光改变为红光后，光能利用率提高，ATP和NADPH含量增加，ATP/ADP的值增加，D错误。
答案：B
7．(多选)用14CO2“饲喂”光照条件下的叶肉细胞，让叶肉细胞继续在相同光照下进行光合作用，一段时间后，关闭光源，将叶肉细胞置于黑暗环境中，含放射性的三碳化合物的浓度变化情况如图所示，下列相关叙述正确的是(　　)
A．AB段含放射性的三碳化合物的浓度不变的原因是其生成和被还原的速率相等
B．B时后短时间内曲线略有上升，是因为黑暗条件下叶肉细胞光反应停止，叶绿体内NADPH和ATP的供应减少
C．OA段叶肉细胞中五碳化合物浓度有所上升
D．叶肉细胞利用14CO2的场所是叶绿体基质
解析：AB段CO2的固定速率与三碳化合物的还原速率相同，即三碳化合物的生成速率和消耗速率相等，三碳化合物的浓度不变，A正确；关闭光源后短时间内，黑暗条件下，植物叶肉细胞的光反应停止，不能生成NADPH和ATP，三碳化合物的还原受阻，但其生成速率基本不变，故其浓度略有上升，B正确；OA段含放射性的三碳化合物的浓度升高，此过程中光照不变，则光合速率基本不变，不会出现叶肉细胞中五碳化合物浓度上升的情况，C错误；叶肉细胞中CO2的利用是在叶绿体基质中进行的，D正确。
答案：ABD
1．若突然停止对某正常植物的CO2供应，则该植物的叶绿体中C3的含量如何变化？尝试分析其变化原因。
提示：略微减少。当CO2供应停止时，CO2的固定速率降低，而光照强度不变的情况下，NADPH、ATP的供应速率不变，C3的还原速率几乎不变，这样，短时间内，C3的生成量减少，消耗量不变，故叶绿体中C3的含量会略有减少。
2．利用小球藻培养液进行光合作用实验时，发现在其中加入抑制暗反应的药物后，在同样的光照条件下释放氧气的速率下降。原因主要是什么？
提示：暗反应被抑制，会减少对NADPH和ATP的消耗，从而使NADPH和ATP积累，水的光解减慢。
3．如图为光合作用的过程图解，据图分析并回答下列问题：
(1)乙表示________阶段，又称作________循环。
(2)图中的物质a是________，物质c是________。
(3)甲阶段的两项重要变化是________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)乙阶段的两项重要过程是________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)土壤中缺乏N，植物的光合作用就会受影响，请分析原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
提示：(1)暗反应　卡尔文
(2)NADPH　CO2
(3)叶绿体中的色素吸收光能，将H2O分解成H＋和O2；同时形成ATP
(4)CO2的固定和C3的还原过程
(5)N是组成ATP、NADPH、酶以及类囊体薄膜等与光合作用有关的物质或结构的重要元素
[构建知识网络]
[强化生命观念]
1．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。
2．叶绿体是进行光合作用的场所，其中光反应在类囊体薄膜上进行，暗反应在基质中进行。
3．不同颜色的温室大棚光合效率不同，无色透明大棚效率最高，绿色大棚效率最低；对大棚进行补光时，单色光以蓝紫光最好，红光次之，绿光最差。
4．绿色植物中参与光合作用的色素只存在于叶绿体类囊体薄膜上。
5．绿色植物中参与光合作用的酶存在于叶绿体类囊体薄膜上和叶绿体基质中。
6．光合作用的过程可以分为两个阶段，即光反应和暗反应。前者在光下才能进行，并在一定范围内随着光照强度的增加而增强；后者在有光、无光的条件下都可以进行，但需要光反应的产物NADPH和ATP，因此在无光条件下不可以长期进行。
7．进行光合作用的细胞不一定含叶绿体，如蓝细菌、光合细菌能进行光合作用，但没有叶绿体。
8．生物体中的能量转化：光能→电能→ATP中的活跃化学能→有机物中稳定的化学能→ATP中活跃的化学能(被组织细胞利用)。
真题再现　感悟考情
1．(2021·湖南卷)绿色植物的光合作用是在叶绿体内进行的一系列能量和物质转化过程。下列叙述错误的是(　　)
A．弱光条件下植物没有O2的释放，说明未进行光合作用
B．在暗反应阶段，CO2不能直接被还原
C．在禾谷类作物开花期剪掉部分花穗，叶片的光合速率会暂时下降
D．合理密植和增施有机肥能提高农作物的光合作用强度
解析：弱光条件下植物仍然可以进行光合作用，只不过光反应产生的氧气较少，被植物体全部用来进行有氧呼吸，最终表现为没有氧气释放，A错误；在暗反应阶段，CO2先与C5结合形成C3，C3再被还原成糖类和C5，故CO2不能直接被还原，B正确；禾谷类作物开花期光合作用的产物有一部分用来维持花穗的生长发育，剪掉部分花穗后，有机物的输出减少，会造成光合产物的短期积累，从而抑制光合作用，C正确；合理密植有利于充分利用光能，从而提高光合作用强度，有机肥富含有机物，能在微生物的分解作用下产生CO2和其他养分，利于植物进行光合作用，D正确。
答案：A
2．(2020·江苏卷)采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验，下列叙述错误的是(　　)
A．提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂
B．研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏
C．研磨时添加石英砂有助于色素提取
D．画滤液细线时应尽量减少样液扩散
解析：无水乙醇常作为提取叶绿体色素的溶剂，A项正确；研磨时要加入碳酸钙(CaCO3)，可防止叶绿素被破坏，B项错误；研磨时添加石英砂，能够使研磨充分，有助于色素的提取，C项正确；画滤液细线时要做到细、直、齐，减少样液扩散，以保证滤纸条上形成的色素带清晰、整齐，D项正确。
答案：B
3．(2021·广东卷)在高等植物光合作用的卡尔文循环中，唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco，下列叙述正确的是(　　)
A．Rubisco存在于细胞质基质中
B．激活Rubisco需要黑暗条件
C．Rubisco催化CO2固定需要ATP
D．Rubisco催化C5和CO2结合
解析：暗反应阶段的CO2的固定为Rubisco催化C5与CO2反应的过程，该过程发生在叶绿体基质中，暗反应有光无光均可进行，故Rubisco的活性与是否有光无关，A、B错误，D正确；CO2固定过程不消耗ATP，C错误。
答案：D
4．(2021·湖南卷)图a为叶绿体的结构示意图，图b为叶绿体中某种生物膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。
回答下列问题：
(1)图b表示图a中的________结构，膜上发生的光反应过程将水分解成O2、H＋和e－，光能转化成电能，最终转化为________和ATP中活跃的化学能。若CO2浓度降低，暗反应速率减慢，叶绿体中电子受体NADP＋减少，则图b中电子传递速率会________(填“加快”或“减慢”)。
(2)为研究叶绿体的完整性与光反应的关系，研究人员用物理、化学方法制备了4种结构完整性不同的叶绿体，在离体条件下进行实验，用Fecy或DCIP替代NADP＋为电子受体，以相对放氧量表示光反应速率，实验结果如表所示。
叶绿体类型 相对值 实验项目　　　　　 叶绿体A：双层膜结构完整 叶绿体B：双层膜局部受损，类囊体略有损伤 叶绿体C：双层膜瓦解，类囊体松散但未断裂 叶绿体D：所有膜结构解体破裂成颗粒或片段
实验一：以Fecy为电子受体时的放氧量 100 167.0 425.1 281.3
实验二：以DCIP为电子受体时的放氧量 100 106.7 471.1 109.6
注：Fecy具有亲水性，DCIP具有亲脂性。
据此分析：
①叶绿体A和叶绿体B的实验结果表明，叶绿体双层膜对以____________(填“Fecy”或“DCIP”)为电子受体的光反应有明显阻碍作用。得出该结论的推理过程是
________________________________________________________________________。
②该实验中，光反应速率最高的是叶绿体C，表明在无双层膜阻碍、类囊体又松散的条件下，更有利于______________，从而提高光反应速率。
③以DCIP为电子受体进行实验，发现叶绿体A、B、C和D的ATP产生效率的相对值分别为1、0.66、0.58和0.41。
结合图b对实验结果进行解释______________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)图b所示生物膜吸收了光能，发生了水分解成e－、H＋和O2的过程，因此该生物膜为图a中叶绿体的类囊体膜，是光合作用光反应的场所。光反应中，水分解为O2和H＋，同时产生2个电子(e－)，电子经电子传递链传递，可用于NADP＋和H＋结合形成NADPH；同时利用光能促使ADP与Pi反应形成ATP。这样，光能转化成电能，最终转化为NADPH和ATP中活跃的化学能。若CO2浓度降低，暗反应速率减慢，ATP和NADPH消耗减慢，则光反应速率会减慢，水的分解减少，该过程产生的电子经过电子传递链的作用与NADP＋、H＋结合形成的NADPH也减少，电子传递速率会减慢。(2)①从表格中可知，叶绿体A双层膜结构完整时，以Fecy或DCIP为电子受体时放氧量相等，而叶绿体B双层膜局部受损，类囊体略有损伤时，以Fecy为电子受体时，叶绿体B的放氧量明显高于叶绿体A双层膜结构完整时的放氧量，而以DCIP为电子受体时叶绿体B的放氧量略高于叶绿体A双层膜结构完整时的放氧量，所以叶绿体双层膜对以Fecy为电子受体的光反应阻碍作用更明显。②该实验中，光反应速率最高的是叶绿体C，这是因为在无双层膜阻碍、类囊体又松散(但未断裂)的条件下，以Fecy或DCIP为电子受体，更容易与H＋结合，消耗H＋速率较快，更有利于水的分解，从而提高光反应速率。③图b中水光解产生的H＋可通过类囊体膜结构中的载体蛋白运输至ATP合成的部位，参与ATP合成的反应，当类囊体膜结构受损时，无法完成H＋的运输，ATP的合成因缺少H＋而受阻，ATP产生效率降低。
答案：(1)类囊体膜　NADPH　减慢　(2)①Fecy　叶绿体B双层膜局部受损，类囊体略有损伤时，以Fecy为电子受体时的放氧量明显高于叶绿体A双层膜结构完整时，而以DCIP为电子受体时的放氧量略高于叶绿体A双层膜结构完整时，差别不大　②水的分解　③类囊体膜结构的完整性可保证其能够运输H＋参加ATP的合成反应，膜结构破裂无法提供ATP合成时所需的H＋导致ATP产生效率降低
5．(2020·山东卷)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。
(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是________，模块3中的甲可与CO2结合，甲为________。
(2)若正常运转过程中气泵突然停转，则短时间内乙的含量将________(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长，模块2中的能量转换效率也会发生改变，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物，原因是__________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)干旱条件下，很多植物光合作用速率降低，主要原因是__________________________。人工光合作用系统由于对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景。
解析：分析题图可知，模块1将光能转换为电能，模块2电解水，同时转换能量供模块3还原CO2产生糖类，比较这一过程与光合作用的全过程可知，模块1和模块2相当于光合作用的光反应阶段，模块3相当于光合作用的暗反应阶段。(1)根据上面的分析可知，该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块，即吸收和转化光能的模块是模块1和模块2。光合作用的暗反应包括两步反应，一是CO2的固定：CO2在特定酶的作用下，与C5结合，形成C3。二是C3的还原：C3接受ATP和NADPH释放的能量，在酶的作用下最终转化为糖类和C5。比较该过程与模块3的反应过程可知，甲与CO2反应生成乙，这一阶段为CO2的固定，那么甲为C5，即五碳化合物，乙为C3，即三碳化合物。(2)若正常运转过程中气泵突然停转，相当于光合作用过程中突然停止供应CO2，CO2的固定受阻，短时间内C3的还原正常进行，进而导致乙(C3)的合成量减少，消耗量不变，C3含量减少。光合作用的暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋，若气泵停转时间较长，相当于暗反应无法进行，就无法为模块2提供ADP、Pi和NADP＋，从而影响了模块2中的能量转换效率。(3)植物有机物的积累量称为净光合作用量，即有机物的制造量(真正光合作用量)减去呼吸作用消耗的有机物量。这个人工系统中只有有机物的制造，没有呼吸作用的消耗，所以在固定的CO2量(即真正光合作用量)相等的情况下，有机物(糖类)的积累量将高于植物。(4)干旱条件下，植物为降低蒸腾作用对水分的过度散失，气孔的开放程度降低，进而影响CO2的吸收，会间接影响光合作用速率。
答案：(1)模块1和模块2　五碳化合物(或：C5)　(2)减少　模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP＋不足　(3)高于　人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或：植物呼吸作用消耗糖类)
(4)叶片气孔开放程度降低，CO2的吸收量减少

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