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光合作用与呼吸作用的综合应用
一.请同学们拿出一张纸，完成以下内容：
1.写出有氧呼吸各阶段的反应及场所
2.写出无氧呼吸各阶段的反应及场所
3.写出光合作用各阶段的反应及场所
4.尝试完成从光合作用开始，后进行到有氧呼吸中C,H,O元素的去向
5.尝试完成从光合作用开始，然后进行有氧呼吸中能量转化的关系
4.光合作用和有氧呼吸中各种元素的去向
C∶CO2?暗反应?? 有机物 ?有氧呼吸第一阶段? 丙酮酸 ?有氧呼吸第二阶段??CO2
H∶H2O?光反应??NADPH?暗反应??(CH2O)
O∶H2O?光反应??O2?有氧呼吸第三阶段??H2O
5.光合作用与有氧呼吸中的能量联系
?
一.光合作用与有氧呼吸的区别
ATP中活跃化学能
热
叶绿体
只在光下进行
【典例1】(2022·盐城二模，节选)水稻生长需依次经过抽穗期、灌浆期、乳熟期、蜡熟期等时期。图1是水稻叶肉细胞光合作用和呼吸作用部分过程示意图。
图1
（1）图1中④过程发生的场所是________________________，图中产生ATP的过程
有________。
细胞质基质和线粒体基质
①③④
（2）若同位素标记 ?14CO2 ，分析在光合作用和有氧呼吸中 ?14C 的转移过程
_____________________________________________________________。
?
?14CO2?暗反应?? 有机物 ?有氧呼吸第一阶段?? 丙酮酸 ?有氧呼吸第二阶段??14CO2
?
【典例2】(2022·重庆质检)下图是绿色植物叶肉细胞中光合作用与有氧呼吸过程及
其关系的图解，其中 A?D 表示相关过程， a?e 表示有关物质。
?
（1）A过程表示________，可为B过程提供______________。
光反应
NADPH 和ATP
?
（2）若为C过程进行的场所中提供葡萄糖，能否产生 a 和 c ？理由是什么？_______
________________________________________________________________________
____________。
?
不能。过程C进行的场所为线粒体，只能利用丙酮酸而不能利用葡萄糖，线粒体中没有分解葡萄糖的酶
（3）若图中光合速率等于细胞呼吸速率，则植株中是否有有机物的积累？理由是
什么？__________________________________________________________________
________________________________________________________________________
_________________________________________。
否 因为植株中能进行光合作用的细胞比能进行细胞呼吸的细胞少，而图中是进行光合作用的叶肉细胞，对叶肉细胞来说，光合速率等于细胞呼吸速率，但对于整棵植株来说，光合速率小于细胞呼吸速率
光能通过光反应转变成ATP和 NADPH 中活跃的化学能，再通过暗反应转化成葡萄糖中稳定的化学能，再经过有氧呼吸将化学能逐步释放出来，大部分以热能的形式散失，小部分用以合成ATP
?
（4）图中光能是如何转化成热能散失的？___________________________________
________________________________________________________________________
_____________________________________________________________。
三.密闭装置法测定光合速率与呼吸速率(也叫“黑白瓶法”）
对照试验：为防止气压、温度等因素所引起的误差，应设置对照试验，即使用死亡的绿色植物分别进行上述实验，若液滴移动，则需要对实验结果进行校正。
（一）装置中溶液的作用：
甲装置中NaHCO3溶液（或CO2缓冲液）可为光合作用提供CO2，乙装置中NaOH溶液可吸收容器中的CO2。
（二）测定原理：
甲乙两装置中液滴的移动均是由 的变化引起的。①甲装置单位时间内红色液滴向右移动的距离为植物O2的释放速率，可代表 （若液滴向左移动，则为负值）②乙装置单位时间内红色液滴移动的距离为植物O2的吸收速率，可代表
O2含量
净光合速率
呼吸速率。
三.密闭装置法测定光合速率与呼吸速率(也叫“黑白瓶法”）
测定方法：
a.将甲装置置于光照下一定时间，记录红色液滴向右移动的相对距离（m），计作净光合速率。
b.将乙装置置于黑暗中一定时间，记录红色液滴向左移动的相对距离（n），计作呼吸速率。
c.真正光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 = m + n
三.密闭装置法测定光合速率与呼吸速率(也叫“黑白瓶法”）
①有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量为 ；白瓶中氧气的增加量为 ；二者之和为 。
【规律归纳】
②没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有氧气量与黑瓶中测得的现有氧气量之差即 。
有氧呼吸量
净光合作用量
总光合作用量
总光合作用量
【典例3】(2022·衡水调研)芦荟属于景天酸代谢植物，它们在夜晚气孔开放，叶肉
细胞吸收 CO2 转变成苹果酸储存在液泡中；到了白天气孔关闭，液泡里的苹果酸逐
渐转化并释放 CO2 ，用于光合作用。下图是某兴趣小组设计的测量一盆芦荟光合速
率的实验密闭装置（初始时液滴在“0”刻度处，装置温度、周围气压恒定），已知氧
传感器用于测量装置内 O2 的含量（初始时数据显示屏读数为E）。请回答下列问题：
?
（1）芦荟夜晚能吸收 CO2 ，却不能进行暗反应的主要原因是缺少暗反应所需的______________。关于芦荟叶肉细胞液泡内的 pH ，据题干信息推测，夜间______（填“小于”、“等于”或“大于”）白天。白天芦荟进行光合作用所需 CO2 的来源是___________________________________________（填生理过程）。在自然条件下生长的芦荟，白天突然降低其所处环境中的 CO2 浓度，则短时间内植物体内 C3 含量的变化情况是__________。
?
ATP、 NADPH
?
小于
有氧呼吸第二阶段（丙酮酸的分解）
和苹果酸转化
基本不变
（2）将该装置放于黑暗条件下，液滴________（填“向左移”或“向右移”）；若 2?h
后测得气体的变化量为 20?mL ，则该数据所反映生理活动的速率为____ mL/h 。
?
向左移
10
（3）若将该装置放于黑暗条件下， 1?h 后刻度尺读数为 N ，数据显示屏读数为 Q ；
若将该装置放于适宜光照条件下， 1?h 后刻度尺读数为 M ，数据显示屏读数为 P 。
欲表示芦荟在适宜光照条件下的总光合速率，下列可用的数据有______。
① M?N ② M+N ③ P?Q ④ P+Q
?
①③

四.叶圆片称重法——测定有机物的变化量
下图表示以有机物的变化量测定光合速率（ S 为叶圆片面积）
?
净光合速率 =(z?y)/2S ；
呼吸速率 =(x?y)/2S ；
总光合速率=净光合速率+呼吸速率 =(x+z?2y)/2S
?
五.半叶法——测定光合作用有机物的制造量
①测定：将对称叶片的一部分（A）遮光，另一部分（B）不作处理，并采用适当的
方法（可先在叶柄基部用热水或热石蜡液烫伤）阻止物质转移。在适宜光照下照射
6?h 后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为 MA 、 MB 。
②计算：设被截取部分初始干重为 M 。
a.被截取部分的呼吸速率 =(M?MA)/6 。
b.被截取部分的净光合速率 =(MB?M)/6 。
c.被截取部分的总光合速率＝呼吸速率 + 净光合速率 =(MB?MA)/6 。
?
五.间隔光照法——比较有机物的合成量
测定方法：光反应和暗反应在不同的酶的催化作用下相对独立进行，在一般情况下，
光反应的速率比暗反应的速率快得多，光反应产生的ATP和 NADPH 除满足暗反应正
常利用外，还有一定量的剩余。持续光照，光反应产生的大量ATP和 NADPH 不能及
时被完全利用，暗反应限制了光合作用的速率，降低了光能的利用率。但若光照、
黑暗交替进行，则黑暗间隔可利用光照时积累的光反应产物，再持续进行一段时间
的暗反应。因此，在光照强度与光照时间不变的情况下，交替光照较连续光照条件
下制造的有机物多。
?
【典例4】(2022·河南联考)科研人员利用“间隙光”来测定沙棘的光合作用，每次光照20秒，黑暗20秒，交替进行12小时，并用灵敏传感器记录环境中氧气和二氧化碳的变化，实验结果部分记录如下图所示。
据实验结果部分记录图分析，与连续光照6小时，再连续黑暗6小时相比，“间隙光”
处理的光合作用效率______（填“大于”、“等于”或“小于”）连续光照下的光合效率，
原因是“间隙光”能___________________________________________。上面曲线出现
的原因是光合作用光反应的速率比暗反应的速率______（填“更快”或“更慢”）。图
中两条曲线所围成的面积 S1 ______ S2 （填“大于”、“等于”或“小于”）。
?
大于
充分利用光合作用光反应产生的 NADPH 和ATP
?
更快
等于
1.光合作用C3、C4途径比较
（1）C3植物和C4植物定义
人们根据光合作用碳素同化的最初光合产物的不同，把高等植物分成两类：
①C3植物：这类植物的最初产物是3-磷酸甘油酸（三碳化合物），这种反应途径称为C3途径，如水稻、小麦、棉花、大豆等大多数植物。
②C4植物：这类植物以草酰乙酸（四碳化合物）为最初产物，所以称这种途径为C4途径，如甘蔗、玉米、高梁等。
六.C4途径
2.光合作用C4途径过程图解
①在光反应阶段完全相同。
②C4植物在光合的暗反应先在叶肉细胞中经C4途径将吸收的CO2固定在苹果酸（C4 ）中，然后C4转移到维管束细胞释放CO2，CO2进入卡尔文循环（C3途径）。
③C3植物C3植物只利用卡尔文循环中1，5-二磷酸核酮糖直接固定CO2 。一个CO2被一个五碳化合物（1，5-二磷酸核酮糖，简称RuBP）固定后形成两个三碳化合物（3-磷酸甘油酸，PGA），即CO2被固定后最先形成的化合物中含有三个碳原子。
3.C3、C4途径比较
3.C3植物与C4植物叶片结构比较
C3植物叶片中维管束鞘细胞较小，其内不含叶绿体，其叶肉细胞内含有典型的叶绿体，即可进行光反应又可进行暗反应。
C4植物叶片有“花环形结构”的两圈细胞，内层为维管束鞘细胞，含有叶绿体，只能进行暗反应。叶肉细胞中含典型叶绿体，能进行光反应，通过C4途径固定CO2。
3.C3和C4植物光合途径的比较
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A} 项目
种类
CO2受体
CO2固定后产物
光反应场所
暗反应场所
C3植物
RuBP(C5)
PGA(C3)
叶肉细胞叶绿体基粒
叶肉细胞叶绿体基质
C4植物
PEP(C3)
RuBP(C5)
PGA(C3)
OAA(C4)
叶肉细胞叶绿体基粒
维管束细胞叶绿体基质
4.光合作用C4途径产生的原因
因为C4植物中含有能固定CO2为C4的相关酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，简称为PEP羧化酶（与CO2有很强的亲和力）。可促使PEP把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来。
C4植物这种独特的作用，被形象的比喻成“二氧化碳泵”。
???????? 、 ???????? 植物与光呼吸
?
1.(2022·潍坊一模)光呼吸是 O2/CO2 偏高时与光合作用同时发生的生理过程，是经长
期进化形成的适应机制。光呼吸和暗反应关系密切，机理如图所示。下列叙述错误
的是( ) 。
?
D
A.光呼吸可保证 CO2 不足时，暗反应仍能正常进行
B.光合作用的光反应强于暗反应容易导致光呼吸发生
C.光呼吸过程虽然消耗有机物，但不产生ATP
D.抑制光呼吸能大幅度提高光合作用强度
?
2.(2022·河北联测)下图是 C3 植物和 C4 植物光合作用暗反应示意图，据图回答下列问题：
?
（1）绿色植物进行光合作用时，光反应产生
的______________在图示___________（用图
中文字表示）过程中被利用，科学家发现此过
程时用到的研究方法为______________。已知
玉米植株叶肉细胞的叶绿体不是光合作用暗反
应的场所，由此推测玉米为____（填“ C3 ”或
“ C4 ”）植物。
?
ATP和 NADPH
?
卡尔文循环
同位素标记法
C4
?
（2）据图可知，与 C3 植物相比， C4 植物细胞中所具备的____________对 CO2 具有
很强的亲和力，能催化 CO2 和 C3 结合，从而把大气中浓度很低的 CO2 固定下来。
C4 会集中到________________________中供植株利用。
?
PEP 羧化酶
?
维管束鞘细胞内的叶绿体
（3） C4 植物叶片的维管束鞘薄壁细胞中含有许多没有基粒的叶绿体，而叶肉细胞
内含有正常的叶绿体，推测 C4 植物光反应的场所为______细胞。维管束鞘薄壁细胞
与其邻近的叶肉细胞之间由大量的胞间连丝相连，其作用是____________________
________________________。当 C3 植物的 RuBP 羧化酶活性突然下降时，细胞中的
ATP含量会______（填“增加”或“减少”），原因是_____________________________
________________________________________________________________________
______________________________。
?
叶肉
实现细胞间的物质交换和信息交流（合理即可）
RuBP 羧化酶活性下降时， C3 生成量减少， C3 还原速率减慢，ATP消耗量减少，而此时光反应速率基本不变， NADPH 和ATP的生成速率基本不变
?
七.CAM途径
①仙人掌、菠萝和许多肉质植物都进行这种类型的光合作用。这类植物特别适合生长于干旱地区，其特点是气孔夜间开放，白天关闭。
该类植物夜间吸收CO2，淀粉经糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2与PEP结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸储存在液泡中。
白天气孔关闭，苹果酸转移到细胞质基质中脱羧，放出CO2，进入C3途径合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再还原成三碳糖，最后合成淀粉或者转移到线粒体，进一步氧化释放CO2，又可进入C3途径。
该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH下降；
白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH上升。
1.光呼吸的发现
1955年科学家德柯尔测定烟草光合速率时发现:正在进行光合作用的烟草叶片在光照停止后的很短时间内，二氧化碳的释放量会急剧增高，这种现象称为“二氧化碳的猝发”
1920年，生物化学家瓦布格发现：较高氧气浓度可以抑制小球藻的光合作用，人们把氧对光合作用的抑制现象称为“瓦布格效应”。
较高浓度O2会抑制光合作用
停止光照后CO2释放量急剧增加
八.光呼吸
较高浓度O2会抑制光合作用
停止光照后CO2释放量急剧增加
停止光照后CO2释放量急剧增加
①A表示光下净光合速率。
②B和C表示光下时植物呼吸速率。
③B表示无论是光下还是暗处都可进行的呼吸速率。
④C表示只有光下才有的呼吸速率。
即光呼吸现象。
八.光呼吸
卡尔文循环中CO2固定的(Rubisco)具有两面性(或双功能)
Rubisco即RuBP(C5)羧化加氧酶
高CO2浓度、低O2时，C5进行羧化
C5+O2
C2+C3
Rubisco
卡尔文循环
2.光呼吸产生的原因
高O2浓度、低CO2时，C5进行加氧
光呼吸
C5+CO2
2C3
Rubisco
卡尔文循环
八.光呼吸
Rubisco
3. CO2固定和光呼吸是竞争反应
C5
2C3
C5
C2
C3
ATP
NADPH
(CH2O)
C3
O2
ATP
NADH
CO2
×2
×2
(CH2O)
ATP
NADPH
O2
CO2
卡尔文循环
光呼吸
RuBP(C5)羧化加氧酶
羧化
加氧
植物的绿色细胞依赖光照，吸收O2和放出CO2的过程，被称为光呼吸。光呼吸过程也称 C2循环。
八.光呼吸
C5
2C3
C3
C2
+
线粒体
CO2
卡尔文循环
糖
高CO2
高O2
3. CO2固定和光呼吸是竞争反应
卡尔文循环与光呼吸可以简单表示如下
八.光呼吸
4.光呼吸与细胞呼吸的比较
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}比较项目
光呼吸
细胞呼吸
底物
C2化合物
糖类等有机物
发生部位
叶绿体、线粒体等
细胞质基质、线粒体
反应条件
光照
光照或黑暗都可以
能量
消耗能量
产生能量
共同点
消耗O2、释放CO2
八.光呼吸
5. 光呼吸的危害
①如果在较强光下，光呼吸加强，使得C5氧化分解加强，一部分碳(1/4)以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累。
Rubisco
C5
2C3
C5
C2
C3
ATP
NADPH
(CH2O)
C3
O2
ATP
NADH
CO2
×2
×2
(CH2O)
ATP
NADPH
O2
CO2
卡尔文循环
光呼吸
羧化
加氧
散失
光合产物减少
能量的损耗
②光呼吸过程中消耗了ATP和还原氢，即造成了能量的损耗。
八.光呼吸
6. 光呼吸的意义
①防止强光对叶绿体的破坏
强光时，光反应速率大于暗反应速率，叶肉细胞中会积累ATP和NADPH，这些物质积累会产生自由基，自由基会损伤叶绿体；强光下，光呼吸加强，会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH，从而减轻对叶绿体的伤害。
Rubisco
C5
2C3
C5
C2
C3
ATP
NADPH
(CH2O)
C3
O2
ATP
NADH
CO2
×2
×2
(CH2O)
ATP
NADPH
O2
CO2
卡尔文循环
光呼吸
羧化
加氧
防止ATP和NADPH积累
保护叶绿体
八.光呼吸
②回收了3/4的碳，避免了过多的碳损失。
Rubisco
C5
2C3
C5
C2
C3
ATP
NADPH
(CH2O)
C3
O2
ATP
NADH
CO2
×2
×2
(CH2O)
ATP
NADPH
O2
CO2
卡尔文循环
光呼吸
羧化
加氧
?的碳用于光合作用
?的碳损失
③消除乙醇酸(C2)，避免了乙醇酸(C2)积累,使细胞免受伤害。
消除乙醇酸的毒害
6. 光呼吸的意义
八.光呼吸
6. 光呼吸的意义
Rubisco
C5
2C3
C5
C2
C3
ATP
NADPH
(CH2O)
C3
O2
ATP
NADH
CO2
×2
×2
(CH2O)
ATP
NADPH
O2
CO2
卡尔文循环
光呼吸
羧化
加氧
④在干旱和高辐射胁迫下，叶片气孔关闭或外界CO2浓度降低、CO2进入受阻时，光呼吸释放的CO2能被卡尔文循环再利用，以维持糖类等有机物的合成。
气孔关闭
外界CO2浓度低
CO2进入受阻
八.光呼吸

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