高中生物必修一同步系列（新教材）講義第5章 微專題(三) 光合作用與細胞呼吸的關系、曲線模型及相關實驗設計

微專題(三)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．光合作用與細胞呼吸在物質和能量上的聯(lián)系①CO2；②O2；③H2O；④ATP；⑤ADP＋Pi；⑥NADP＋；⑦C5；⑧C3；⑨(CH2O)；⑩丙酮酸；?[H]。(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(暗反應))(CH2O)中的能量eq\o(→,\s\up7(細胞呼吸))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)項目表示方法(單位：g·cm－2·h－1)呼吸速率線粒體釋放CO2量(m1)；黑暗條件下細胞(植物體)釋放CO2量(葡萄糖消耗量)線粒體吸收O2量(n1)；黑暗條件下細胞(植物體)吸收O2量凈光合速率細胞(植物體)吸收的CO2量(m2)；植物(葉片)積累葡萄糖量細胞(植物體)釋放的O2量(n2)真正(總)光合速率葉綠體利用、固定CO2量m3或(m1＋m2)；植物(葉綠體)產(chǎn)生葡萄糖量葉綠體產(chǎn)生、釋放O2量n3或(n1＋n2)例1如圖表示光合作用和有氧呼吸過程中C、H、O三種元素的轉移途徑以及能量轉換過程。圖中序號表示相關的生理過程。下列敘述錯誤的是()A．在元素轉移途徑中，④與⑧、⑦與⑨表示的生理過程相同B．在元素轉移途徑中，能在小麥根尖成熟區(qū)細胞中發(fā)生的生理過程有②③⑥⑦⑨C．在有氧呼吸過程中，產(chǎn)生能量最多的過程是⑦或⑨D．⑩?產(chǎn)生的ATP中的化學能都可以轉變?yōu)楣饽芎蜋C械能答案D解析⑩產(chǎn)生的ATP只能用于暗反應，轉化為有機物中的化學能，D錯誤。例2如圖表示溫度對某種植物在光照下和黑暗中CO2吸收量和釋放量(單位：mg/h)的影響情況。已知除了溫度變化之外，其他環(huán)境條件(如光照強度等)不變，下列說法正確的是()A．根據(jù)圖中曲線，無法確定細胞呼吸的最適溫度B．光照下CO2的吸收量表示光合作用所需的CO2量C．圖中a點表示光合作用強度與細胞呼吸強度相等D．環(huán)境溫度超過25℃時，植物體內(nèi)有機物的量會減少答案A解析隨著溫度的上升，黑暗中CO2釋放量不斷增大，所以根據(jù)圖中曲線，無法確定細胞呼吸的最適溫度，A正確；光照下CO2吸收量是凈光合速率，表示光合作用所需的CO2量－細胞呼吸釋放的CO2量，B錯誤；由于虛線表示凈光合速率，實線表示呼吸速率，所以a點不能表示光合作用強度與細胞呼吸強度相等，C錯誤；環(huán)境溫度超過25℃時，凈光合速率有所減小，但仍大于0，所以植物體內(nèi)有機物的量仍在增加，D錯誤。二、自然環(huán)境及密閉容器中光合作用變化的模型1．自然環(huán)境中一晝夜植物光合作用曲線(1)a點：凌晨3時～4時，溫度降低，細胞呼吸減弱，CO2釋放量減少。(2)b點：上午6時左右，有微弱光照，開始進行光合作用。(3)bc段(不含b、c點)：光合作用強度小于細胞呼吸強度。(4)c點：上午7時左右，光合作用強度等于細胞呼吸強度。(5)ce段(不含c、e點)：光合作用強度大于細胞呼吸強度。(6)d點：溫度過高，部分氣孔關閉，出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象。(7)e點：下午6時左右，光合作用強度等于細胞呼吸強度。(8)ef段(不含e、f點)：光合作用強度小于細胞呼吸強度。(9)fg段：沒有光照，光合作用停止，只進行細胞呼吸。(10)積累有機物時間段：ce段。(11)制造有機物時間段：bf段。(12)消耗有機物時間段：Og段。(13)一天中有機物積累最多的時間點：e點。(14)一晝夜有機物的積累量表示為：S1－S2－S3(S1、S2、S3表示面積)。2．密閉環(huán)境中一晝夜CO2和O2含量的變化(1)光合速率等于呼吸速率的點：C、E。(2)圖甲中N點低于虛線，該植物一晝夜表現(xiàn)為生長，其原因是N點低于M點，說明一晝夜密閉容器中CO2含量減少，即總光合量大于總呼吸量，植物生長。(3)圖乙中N點低于虛線，該植物一晝夜不能生長，其原因是N點低于M點，說明一晝夜密閉容器中O2含量減少，即總光合量小于總呼吸量，植物不能生長。例3夏季晴朗的一天，甲、乙兩株同種植物在相同條件下CO2吸收速率的變化如圖所示。下列說法正確的是()A．甲植株在a點開始進行光合作用B．乙植株在e點有機物積累量最多C．曲線b～c段和d～e段下降的原因相同D．兩曲線b～d段不同的原因可能是甲植株氣孔沒有關閉答案D解析分析圖示可知，這一天的6：00(甲曲線的a點)和18：00左右，甲、乙兩植株光合作用吸收CO2的速率和細胞呼吸釋放CO2的速率相等；在6：00之前，甲、乙兩植株的光合作用已經(jīng)開始，但光合作用強度比細胞呼吸強度弱，A錯誤；在18時后，甲、乙兩植物的光合作用速率開始小于細胞呼吸速率，有機物的積累最多的時刻應為18：00時，e點時有機物的積累量已經(jīng)減少，B錯誤；圖示曲線的b～c段下降的主要原因是部分氣孔關閉導致葉肉細胞內(nèi)CO2濃度降低，d～e段下降的原因是光照強度減弱，光反應產(chǎn)生NADPH和ATP的速率減慢，這兩段下降的原因不相同，C錯誤；分析題圖可知，甲植株不存在光合“午休”現(xiàn)象，乙植株存在光合“午休”現(xiàn)象，可能的原因是甲植株氣孔沒有關閉，D正確。例4將一植株放在密閉玻璃罩內(nèi)，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(nèi)的CO2濃度最高C．圖甲中的F點對應圖乙中的g點D．經(jīng)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點表明光合作用速率等于細胞呼吸速率，根據(jù)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，故C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(nèi)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(nèi)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(nèi)向右移動的距離代表凈光合速率)。③根據(jù)“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(jù)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(即不做處理)，并采用適當?shù)姆椒ㄗ柚箖刹糠值奈镔|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(chǎn)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CO2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大小B．若要測真正光合強度，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，光合作用大于細胞呼吸時，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(chǎn)生和釋放的O2量和CO2量相等，液滴不移動，C錯誤。例6(2020·北京臨川學校高一期末)某同學研究甲湖泊中某深度生物的光合作用和有氧呼吸強度。具體操作如下：取三個相同的透明玻璃瓶a、b、c，將a先包以黑膠布，再包以鉛瓶密封再沉入待測深度的水體，經(jīng)24小時后取出，測兩瓶中氧含量，結果如圖所示。則24小時內(nèi)待測深度水體中生物光合作用和有氧呼吸的情況是()A．24小時內(nèi)待測深度水體中生物有氧呼吸消耗的氧氣量是vmol/瓶B．24小時內(nèi)待測深度水體中生物有氧呼吸消耗的氧氣量是(w－v)mol/瓶C．24小時內(nèi)待測深度水體中生物光合作用產(chǎn)生的氧氣量是kmol/瓶D．24小時內(nèi)待測深度水體中生物光合作用產(chǎn)生的氧氣量是(k－w)mol/瓶答案B解析24小時內(nèi)待測深度水體中生物有氧呼吸消耗的氧氣量為初始瓶溶解氧(w)－a瓶溶解氧(v)，是(w－v)mol/瓶，A錯誤、B正確；24小時內(nèi)待測深度水體中生物光合作用產(chǎn)生的氧氣量為凈光合量＋呼吸量，是(k－v)mol/瓶，C、D錯誤。1．如圖是生物體內(nèi)能量供應及利用的示意圖，下列說法錯誤的是()A．a(chǎn)過程一定伴隨O2的釋放，d過程不需要O2的直接參與B．a(chǎn)過程產(chǎn)生的ATP和NADPH可用于b過程中C3的還原C．a(chǎn)、c中合成ATP所需的能量來源不同D．c過程葡萄糖中的化學能全部轉移到ATP中答案D解析細胞呼吸c過程葡萄糖中的化學能只有少部分轉移到ATP中，大部分以熱能形式散失，D錯誤。2．長葉刺葵是一種棕櫚科植物，下圖為某研究小組在水分充足的條件下測得長葉刺葵24小時內(nèi)光合作用強度的曲線，下列有關曲線的描述錯誤是()A．曲線a表示總光合作用強度，曲線b表示凈光合作用強度B．10：00以后曲線b下降的原因是與光合作用有關的酶對溫度不敏感所致C．14：00以后a、b均下降的原因是光照強度減弱D．大約18：00時有機物積累量最大答案B解析10：00以后圖中曲線b吸收CO2速率下降，但是CO2的消耗量增加，說明此時是因為呼吸速率加快引起的，B錯誤。3．如圖甲為光合作用最適溫度條件下，植物光合速率測定裝置圖，圖乙中a、b為測定過程中某些生理指標相對量的變化。(注：植物細胞呼吸的最適溫度高于光合作用)下列說法錯誤的是()A．圖甲裝置在較強光照下有色液滴向右移動，再放到黑暗環(huán)境中有色液滴向左移動B．若將圖甲中的CO2緩沖液換成質量分數(shù)為1%的NaOH溶液，其他條件不變，則植物幼苗葉綠體產(chǎn)生NADPH的速率將不變C．一定光照條件下，如果再適當升高溫度，真正光合速率會發(fā)生圖乙中從b到a的變化，同時呼吸速率會發(fā)生從a到b的變化D．若圖乙表示圖甲植物光合速率由a到b的變化，則可能是適當提高了CO2緩沖液的濃度答案B解析將圖甲中的CO2緩沖液換成質量分數(shù)為1%的NaOH溶液，裝置內(nèi)的二氧化碳全部被氫氧化鈉吸收，光合作用的原料只能來自植物自身細胞呼吸產(chǎn)生的二氧化碳，光合速率下降，暗反應會抑制光反應的進行，故植物幼苗葉綠體產(chǎn)生NADPH的速率將減小，B錯誤。4．某同學欲測定植物葉片葉綠體的光合速率，做如圖所示實驗：在葉柄基部做環(huán)剝處理(僅限制葉片有機物的輸入和輸出)，于不同時間分別在同一葉片上陸續(xù)取下面積為1cm2的葉圓片烘干后稱其重量，M處的實驗條件是下午16時后將整個實驗裝置遮光3小時，則測得葉片葉綠體的光合速率是(單位：g·cm－2·h－1，不考慮取葉圓片后對葉片生理活動的影響和溫度微小變化對葉片生理活動的影響)()A．(3y－2z－x)/6B．(3y－2z－x)/3C．(2y－x－z)/6D．(2y－x－z)/3答案A解析分析題意可知，上午10時到下午16時之間的6個小時，植物既進行光合作用，也進行細胞呼吸，因此其重量變化表示的是凈光合作用量，則凈光合速率＝凈光合作用量/6＝(y－x)/6；而M處的實驗條件是下午16時后將整個實驗裝置遮光3小時，此時葉片只進行細胞呼吸，因此可以計算出呼吸速率＝(y－z)/3；因此總光合速率＝凈光合速率＋呼吸速率＝(y－x)/6＋(y－z)/3＝(3y－2z－x)/6。5．某研究小組采用“半葉法”對番茄葉的光合速率進行測定。將對稱葉片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做處理，并采用適當?shù)姆椒ㄗ柚箖刹糠值奈镔|和能量轉移。在適宜光照下照射6小時后，在A、B的對應部位截取同等面積的葉片，烘干稱重，分別記為MA、MB，獲得相應數(shù)據(jù)，則可計算出該葉片的光合速率，其單位是mg/(dm2·h)。請分析回答下列問題：(1)MA表示6小時后葉片初始質量－細胞呼吸有機物的消耗量；MB表示6小時后(____________________)＋(____________________)－細胞呼吸有機物的消耗量。(2)若M＝MB－MA，則M表示____________________________________________________。(3)總光合速率的計算方法是______________________________________________________。(4)本方法也可用于測定葉片的呼吸速率，寫出實驗設計思路：___________________________答案(1)葉片初始質量光合作用有機物的總產(chǎn)量(2)B葉片被截取部分在6小時內(nèi)光合作用合成的有機物總量(3)M值除以時間再除以面積即M÷(截取面積×時間)(4)將在測定葉片的相對應部分切割的等面積葉片分開，一部分立即烘干稱重，另一部分在黑暗中保存幾小時后再烘干稱重，根據(jù)二者干重差即可計算出葉片的呼吸速率解析(1)A部分遮光處理，植物葉肉細胞只能進行細胞呼吸，因此MA表示6小時后：葉片初始質量－細胞呼吸有機物的消耗量；B部分不做處理，植物葉肉細胞同時進行細胞呼吸和光合作用，因此MB表示6小時后：葉片初始質量＋光合作用有機物的總產(chǎn)量－細胞呼吸有機物的消耗量。(2)根據(jù)第(1)題可知，M＝MB－MA＝(葉片初始質量＋光合作用有機物的總產(chǎn)量－細胞呼吸有機物的消耗量)－(葉片初始質量－細胞呼吸有機物的消耗量)＝B葉片被截取部分在6小時內(nèi)光合作用合成的有機物總量。(3)真正光合速率的大小可用單位時間、單位葉面積所消耗的CO2或產(chǎn)生的O2表示，亦可用單位時間、單位葉面積所制造的干物質量表示。因此真正光合速率＝M÷(截取面積×時間)。(4)將在測定葉片的相對應部分切割的等面積葉片分開，一部分立即烘干稱重，另一部分在暗中保存幾小時后再烘干稱重，根據(jù)二者干重差即可計算出葉片的呼吸速率。6．將一株小麥密閉在無色玻璃鐘罩內(nèi)(鐘罩體積為VL)，在室內(nèi)調(diào)溫至25℃，給予恒定適宜的光照60min，然后遮光處理60min。全程用CO2傳感器測定鐘罩內(nèi)CO2濃度的變化，得到圖2曲線。(1)若要獲得小麥的真正光合速率，________(填“需要”或“不需要”)另設對照組。0～60min小麥的真正光合速率為________μmolCO2/(VL·h)(VL是鐘罩體積)。(2)實驗10min時，