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第4节能量之源——光与光合作用一、叶绿体的结构和捕获光能的色素1.叶绿体(1)结构示意图:(2)功能:进行_________的场所。叶绿体膜暗反应色素和与光反应有关的酶光合作用2.色素的种类和功能色素功能滤纸条上位置叶绿素________:蓝绿色吸收_____________________________:黄绿色___________________叶黄素:___色吸收______________胡萝卜素:_____色_______叶绿素a叶绿素b蓝紫光和红光中下层最下层类胡萝卜素黄橙黄蓝紫光中上层最上层二、光合作用的探究历程请将科学家和其相关实验的结论连起来。三、光合作用的过程叶绿体类囊体薄膜[H]+O2ATP叶绿体基质CO2+C5(CH2O)+C5ADP+Pi稳定化学能四、影响光合作用的因素和化能合成作用1.影响光合作用的因素(1)光合作用强度:①含义:植物在___________通过光合作用制造糖类的数量。②指标:一定时间内(2)影响光合作用的环境因素有_______、水分、光照的____________及光的成分、_____的高低等。原料消耗的数量_________的数量单位时间内产物生成CO2浓度长短与强弱温度2.光合作用与化能合成作用的比较光合作用化能合成作用本质都能将CO2和H2O等无机物合成为有机物能量_____氧化无机物放出的能量代表生物_________硝化细菌等微生物光能绿色植物1.能进行光合作用的生物一定含有叶绿体。()【分析】不一定,如蓝藻没有叶绿体也能进行光合作用。2.(2012福建T1D)叶片黄化,叶绿体对红光的吸收增多。()【分析】叶片黄化后,叶绿素减少,剩余类胡萝卜素,主要吸收蓝紫光。3.(2011浙江T1A)破坏叶绿体外膜后,O2不能产生。()【分析】O2是在类囊体薄膜上产生的,破坏叶绿体外膜后,没有完全破坏叶绿体结构。×××4.植物体自身的遗传特性可以影响光合速率。()【分析】影响光合速率的因素很多,既有内部因素也有外界环境因素,植物体自身的遗传特性(如阴生植物、阳生植物)是内部因素之一。5.暗反应必须在无光条件下进行。()【分析】光合作用的暗反应不需要光,但在有光条件下才能持续进行。√×6.无色透明塑料大棚比绿色塑料大棚光合作用效率高。()【分析】无色透明塑料大棚中各色光均能透过,绿色大棚主要透过绿色光,其他光被吸收,所以用无色透明大棚的光合作用效率高。7.真核生物有氧呼吸的主要场所是线粒体,光合作用的主要场所是叶绿体。()【分析】真核生物有氧呼吸的场所是细胞质基质和线粒体,主要场所是线粒体,光合作用的场所是叶绿体。√×考点一光合作用的过程1.光反应与暗反应的联系(1)光反应为暗反应提供[H]、ATP,暗反应为光反应提供ADP和Pi,如图:(2)没有光反应,暗反应无法进行,没有暗反应,有机物无法合成。总之,光反应是暗反应的物质和能量的准备阶段,暗反应是光反应的继续,是物质和能量转化的完成阶段。二者相辅相成。2.光照和CO2浓度变化对光合作用物质含量变化的影响当外界条件改变时,光合作用中C3、C5、[H]、ATP的含量变化可以采用下图分析:分析:条件过程变化C3C5[H]和ATP光照由强到弱,CO2供应不变①过程减弱,②③过程减弱,④过程正常进行增加减少减少或没有光照由弱到强,CO2供应不变①过程增强,②③过程增强,④过程正常进行减少增加增加条件过程变化C3C5[H]和ATP光照不变,CO2由充足到不足④过程减弱,①②③过程正常进行,随C3减少②③减弱,①过程正常减少增加增加光照不变,CO2由不足到充足④过程增强,①②③正常进行,随C3增加②③增强,①过程正常增加减少减少【高考警示】(1)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化,而非长时间。(2)以上各物质变化中,C3和C5含量的变化是相反的,[H]和ATP含量变化是一致的。【典例1】如图所示,图甲为叶绿体结构与功能示意图,图乙表示一株小麦叶片细胞内C3相对含量在一天24h内的变化,请据图分析:(1)图甲中A、B、C、D分别表示参与光合作用或光合作用生成的物质,则A、B、C、D依次是。(2)从图甲可知,在a中发生的反应称为,在a中含有的参与此过程的物质是。a中发生的能量变化过程是__。(3)在叶绿体色素的提取和分离实验中,滤纸条上扩散速度最快的色素是。(4)图乙中,从点开始合成有机物,至点有机物合成终止。(5)AB段C3含量较高,其主要原因是。(6)G点C3含量极少,其原因是。(7)G点与F点相比,叶绿体中NADPH(还原氢)含量较(填“高”或“低”)。【解析】本题的解题关键是识图,从图中判断出光合作用进行的各个阶段。在图甲中考查的是叶绿体的结构及功能,a结构为叶绿体类囊体薄膜,其上发生的是光反应,原料是水,产物是氧气和[H]、ATP,参与此过程的物质有色素和酶,发生的能量变化过程为光能→ATP中活跃的化学能。在叶绿体基质中发生的是暗反应,原料是B二氧化碳、DC5、[H]、ATP,产物是有机物、C5、ADP和Pi,图甲中C为C3。图乙为C3含量与时间的关系图,开始合成有机物时C3的含量开始下降,有机物合成终止时C3的含量不再变化,AB段C3含量高的原因是无光,不能进行光反应,不能产生[H]和ATP,C3不能被还原;G点C3含量极低,原因是中午气孔关闭,CO2供应不足,C3的生成受抑制而C3的还原继续;G点与F点相比,叶绿体中NADPH的含量要高。答案:(1)H2O、CO2、C3、C5(2)光反应色素和酶等光能→ATP中活跃的化学能(3)胡萝卜素(4)BI(5)无光照不进行光反应,不能产生[H]和ATP,C3不能被还原(6)中午气孔关闭,叶肉细胞内CO2含量低,CO2的固定减弱,即C3的生成受抑制而C3的还原继续(7)高【变式训练】如图为光合作用过程示意图,在适宜条件下栽培小麦,如果突然将c降低至极低水平(其他条件不变),则a、b在叶绿体中含量的变化将会是()A.a上升、b下降B.a、b都上升C.a、b都下降D.a下降、b上升【解析】选B。由图解分析,c是CO2,a和b是[H]、ATP,若在其他条件不变的情况下,将c降低至极低水平,CO2的固定减弱,C3还原减慢,消耗[H]和ATP减少,则a、b在叶绿体中含量将会都上升。考点二光合作用速率的影响因素及应用1.单因子对光合作用速率影响的分析(1)光照强度:①曲线分析:A点:光照强度为0,此时只进行细胞呼吸,CO2释放量表明此时的呼吸强度。AB段:光照强度增大,光合作用逐渐加强,CO2的释放量逐渐减少(有一部分用于光合作用),此段细胞呼吸强度大于光合作用强度。B点:光补偿点,即光合作用强度=细胞呼吸强度(细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用)。BC段:随着光照强度不断加强,光合作用不断加强,到C点不再加强,称C点对应的光照强度为光饱和点。②应用:阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低,如图中虚线所示。间作套种时农作物的种类搭配,林带树种的配置,冬季温室栽培等都与光补偿点有关。(2)CO2浓度、含水量和矿质元素:①曲线分析:CO2和水是光合作用的原料,矿质元素直接或间接影响光合作用。在一定范围内,CO2、水和矿质元素越多,光合作用速率越快,但到A点时,即CO2、水、矿质元素达到饱和时,就不再增加了。②应用:“正其行,通其风”,温室内充CO2,即提高CO2浓度增加产量的方法。合理灌溉、施肥,可促进叶片面积增大,提高酶的合成速率,增加光合作用速率。(3)温度:①曲线分析:光合作用是在酶催化下进行的,温度直接影响酶的活性。一般植物在10℃～35℃下正常进行光合作用,其中AB段(10℃～35℃)随温度的升高而逐渐加强,B点(35℃)以上光合酶活性下降,光合作用开始下降,50℃左右光合作用停止。②应用:冬天,温室栽培可适当提高温度;夏天,温室栽培可适当降低温度。白天调到光合作用最适温度,以提高光合作用;晚上适当降低温室温度,以降低细胞呼吸,保证有机物的积累。2.多因子对光合作用速率影响的分析(1)曲线分析:P点:限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子,随着因子的不断加强,光合速率不断提高。Q点:横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因子,影响因素主要为各曲线所表示的因子。(2)应用:温室栽培时,在一定光照强度下,白天适当提高温度,增加光合酶的活性,提高光合速率,也可同时适当增加CO2,进一步提高光合速率。当温度适宜时,可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。【思维拓展】由影响光合作用的因素可联系的知识(1)温度影响酶的活性,从而影响光合作用、呼吸作用及一系列代谢活动,如人在发烧时会出现食欲不振的现象,原因是酶的活性降低。(2)结构与功能相适应的生物学观点。阴生植物不能在强光下生长的根本原因是遗传物质决定了阴生植物的结构中酶的含量、色素的含量等比阳生植物少。【典例2】如图为某植物光合作用速率与环境因素之间的关系,请据图回答:(1)甲图表示在光照弱的情况下,光合作用随________________的增加成正比例增加,这种情况下,可以认为此时影响光合作用的过程是阶段。(2)从图甲可知,光照强度超过某一强度时,光合作用不再增强,且有稳定发展的趋势,这种变化主要决定于,此时光合作用的阶段受到限制。(3)图乙中出现CD段的原因是。(4)请在图甲中绘制50℃时植物光合作用速率变化的曲线。(5)根据图甲,在图乙中绘制光照强度为A时,不同温度下光合作用速率变化的曲线。【解析】(1)光合作用速率受光照强度、温度和CO2浓度等因素影响,本题只研究了光照强度和温度对植物光合作用的影响,由图甲可以看出,光照弱时,光合作用速率随光照强度的增加而上升,此时外界条件主要影响光反应阶段,而与温度无关。(2)当光照强度超过某一值时,温度又成了限制因素。此时光合作用的暗反应阶段受到限制。(3)超过最适温度时,随着温度升高,酶活性下降,光合作用速率下降。(4)由图乙可以看出,在50℃时光合作用速率大于20℃而小于30℃时的速率,可在图甲中相应画出。(5)由图甲看出,在光照强度为A时,光合作用速率与温度变化无关,可在图乙中相应画出。答案:(1)光照强度光反应(2)温度暗反应(3)酶活性降低,光合作用速率降低(4)如图(5)如图【变式训练】为探究影响光合作用强度的因素,将同一品种玉米苗置于25℃条件下培养,实验结果如图所示。以下说法正确的是()A.施肥与CO2吸收量无关B.与B点相比,A点条件下限制CO2吸收量的主要因素是光照强度C.与D点相比,限制C点玉米苗吸收CO2的主要因素是土壤含水量D.与C点相比,A点施肥过少,限制了CO2吸收量【解析】选C。据图示可知,当土壤含水量介于40%～60%时,在光照强度相同的条件下,施肥后CO2吸收量比未施肥时明显增多,A错;图中A、B是在光照强度相同的条件下获得的CO2吸收量,因此A、B的不同与光照强度无关,从图中可以看出,A、B的不同是因为土壤含水量不同所致,B错;同时根据对B项的分析,可知C项是对的;A、C两点CO2吸收量不同的原因是光照强度不同,与施肥无关,D错。考点三光合作用与有氧呼吸的关系1.区别光合作用有氧呼吸物质变化无机物有机物有机物无机物能量变化光能→稳定的化学能(储能)稳定的化学能→ATP中活跃的化学能、热能(放能)实质合成有机物,储存能量分解有机物、释放能量,供细胞利用场所叶绿体活细胞(主要在线粒体)条件只在光下进行有光、无光都能进行合成分解2.联系(1)物质方面:C:CO2(CH2O)C3H4O3CO2O:H2OO2H2OH:H2O[H](CH2O)[H]H2O(2)能量方面:光能ATP中活跃化学能(CH2O)中稳定的化学能暗反应呼吸Ⅰ呼吸Ⅱ光反应呼吸Ⅲ光反应暗反应呼吸Ⅰ、Ⅱ呼吸Ⅲ光反应暗反应细胞呼吸热能ATP中活跃化学能各项生命活动【高考警示】(1)在黑暗中测得单位时间CO2释放量即为呼吸速率,没有说明的情况下,白天也是一样的呼吸速率。(2)白天植物并不只进行光合作用。植物在白天时同时进行光合作用和细胞呼吸。CO2的吸收量是指植物从外界环