第5章 细胞的能量供应和利用（第4节光合作用和能量转化）-2024-2025学年高一生物单元必背知识清单（人教版2019必修1）

第5章 细胞的能量供应和利用 第4节 光合作用与能量转化 一、捕获光能的色素和结构 1.太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径 2.实验：绿叶中色素的提取和分离 （1）实验原理 实验 原理 提取色素 绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中 无水乙醇 分离色素 绿叶中的各种色素都能溶解在层析液中，但不同色素的溶解度不同；溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。因而色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开 层析液 （2）注意事项 ①二氧化硅：有助于研磨的充分 碳酸钙：防止研磨中色素被破坏 研磨液过滤：单层尼龙布 ②制备滤纸条要剪去一端的两角：防止出现边缘效应（两边色素扩散的快），保证色素带整齐 滤液细线的要求：细 直 齐；目的是：防止色素带重叠而影响分离效果 重复画滤液细线2-3次，是为了积累更多的色素 层析时不能让滤液细线触及层析液，防止色素溶解于层析液中而无法分离 （3）实验结果 叶绿素（含量约占3/4）：主要吸收蓝紫光和红光 类胡萝卜素（含量约占1/4）：主要吸收蓝紫光 胡萝卜素：橙黄色 叶黄素： 黄 色 叶绿素a：蓝绿色 叶绿素b：黄绿色 ①色素带的条数与色素种类有关，四条色素带说明有四种色素。 ②色素带的宽窄与色素含量有关，色素带越宽说明此种色素含量越多。色素带最宽(色素含量最多)的是叶绿素a，色素带最窄(色素含量最少)的是胡萝卜素 ③色素带扩散速度与色素在层析液中的溶解度有关，扩散速度越快说明溶解度越高。溶解度最高的是胡萝卜素。 （4）实验异常现象分析 Ⅰ滤纸条未见色素带的原因：①忘记画滤液细线；②滤液细线接触到层析液，使得色素溶解于层析液中；③用水进行绿叶中色素的提取。 Ⅱ滤液绿色过浅的原因：①未加二氧化硅，研磨不充分；②取材不好，叶片不够新鲜，不是浓绿色；③加入无水乙醇过多，提取浓度太低；④未加CaCO3或加入过少，色素分子被破坏。 Ⅲ滤纸条色素带重叠的原因：①滤液细线不直；②滤液细线过粗。 3．影响叶绿素合成的因素 (1)光照：光是叶绿素合成的必要条件，植物在黑暗中叶片呈黄色。 (2)温度：低温抑制叶绿素的合成，破坏已有的叶绿素分子，从而使叶片变黄。（秋天叶子变黄） (3)镁等无机盐：镁是构成叶绿素的重要成分，缺镁叶片变黄。 4．叶绿体中色素的吸收光谱分析 (1)色素吸收光的范围：一般叶绿体中的色素只吸收可见光（可见光的波长范围大约是390～760 nm），对红外光和紫外光不吸收。　 (2)类胡萝卜素不吸收红光 (3)不同波长的光=不用颜色的光=光质 (4)不同颜色温室大棚的光合效率 ①无色透明大棚日光中各色光均能透过，有色大棚主要透过同色光，其他光被其吸收，所以无色透明的大棚光合效率最高。 ②若需补光(单色光)，则同一光照强度下，补蓝紫光、红光效果最好。 ③叶绿素对绿光吸收最少，因此绿色塑料大棚光合效率最低。 (5)海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关，不同颜色的藻类吸收不同波长的光，藻类本身的颜色是它们“反射”的光。 5．叶绿体的结构适于进行光合作用 (1)恩格尔曼的两个实验 ①水绵（叶绿体呈螺旋带状分布,便于观察）和需氧细菌（确定释放氧气多的部位）;无空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果。 结论：直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。 ②三棱镜实验：需氧细菌集中在红光和蓝紫光区域，说明色素主要吸收红光和蓝紫光用于光合作用放出氧气。 二、光合作用的原理 1． 希尔 发现在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出O2。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。 此实验能说明氧气的产生和糖类的合成不是同一化学反应 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 H218O＋CO2 18O2 H2O＋C18O2 O2 结论：光合作用释放的O2中的氧元素来自H2O 阿尔农 发现在光下，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．反应式（背过） 光能 CO2＋H2O (CH2O)＋O2 6CO2＋12H2OC6H12O6＋6O2＋6H2O叶绿体 3．光合作用的过程（背过） 项目 光反应 暗反应 场所 叶绿体 类囊体的薄膜 叶绿体基质 条件 光、色素、酶等 酶、NADPH、ATP等 物质变化 (1)H2OO2＋H＋ (2)NADP＋＋H＋―→NADPH (3)ADP＋PiATP (1)CO2＋C52C3 (2)2C3(CH2O)＋C5　　　 能量变化 光能 ATP和NADPH中活跃的化学能 有机物中稳定的化学能 联系 光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供NADP＋、ADP和Pi。 4．同位素标记光合作用元素转移途径 ①．H：3H2ONADP3H(C3H2O)。 ②．C：14CO214C3(14CH2O)。 ③．O：H2O18O2；C18O2C3(CH218O)。 5．结合光反应和暗反应过程分析，若突然光照变弱或CO2供应减少，叶绿体中ATP、NADPH、C3和C5相对含量发生怎样的变化 （注意：某种物质是增多还是减少应该从该物质的来源和去路两个方面分析）。 Ⅰ光反应 Ⅱ CO2的固定 Ⅲ C3 的还原 6．小知识点 ①叶绿体和线粒体增大膜面积的方式 线粒体：内膜向内折叠形成嵴； 叶绿体：类囊体堆叠形成基粒。 ②不是所有的植物细胞都能进行光合作用。只有含有叶绿体的植物细胞才能进行光合作用，如叶肉细胞，但植物的根细胞、表皮细胞没有叶绿体，不能进行光合作用。 ③进行光合作用不一定需要叶绿体，如蓝细菌没有叶绿体，但含有叶绿素和藻蓝素，也能进行光合作用。 ④NADPH和ATP的移动方向：从类囊体薄膜到叶绿体基质；NADP＋、ADP和Pi相反 ⑤C3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光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。 ⑦光照停止时，光反应立即停止，暗反应可以（利用剩下的NADPH和ATP）进行一段时间，随后也停止 ⑧光合作用和化能合成作用（必修1 P106“小字部分）的比较 项目 光合作用 化能合成作用 区别 能量来源 光能 无机物氧化释放的能量 代表生物 绿色植物 硝化细菌 相同点 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 ⑨气孔与气体进出和水分散失有关 ⑩叶绿体中色素的功能：吸收、传递、转化光能。 三、光合作用原理的应用 1．光合作用强度：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量 可用一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量表示 2．探究光照强度对光合作用强度的影响 (1)实验原理：抽去圆形小叶片中的气体，使叶片在水中下沉，光照下叶片进行光合作用产生氧气，充满细胞间隙，叶片又会上浮。光合作用越强，单位时间内圆形小叶片上浮的数量越多。 (2)实验中变量分析 ①自变量：不同光照强度 控制自变量：调节光源（同一瓦数的台灯）与烧杯的距离进行控制 或者不同瓦数的台灯与烧杯距离相同， ②因变量：光合作用强度 因变量的检测指标：同一时间段内叶片浮起数量（或浮起相同数量的叶片所需要的时间长短） ③对无关变量进行控制：叶片大小、溶液的量等保持一致 3．影响光合作用的因素 Ⅰ外部因素（填空题的答案：光照强度，CO2浓度，温度） （1）光照强度 ①原理：光照强度通过影响植物的光反应进而影响光合速率。在一定范围内，光照强度增加，光反应速率加快，产生的NADPH和ATP增多，使暗反应中C3的还原加快，从而使光合作用产物增加。 ②曲线解读 图中B点表示光补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的光照强度。 图中C点表示光饱合点,即光合作用强度达到最大值时所需要的最小光照强度 ③应用：温室大棚中，适当增强光照强度，以提高光合速率，使作物增产。 （2）CO2浓度 ①原理：CO2影响暗反应阶段（CO2的固定），制约C3的形成。 ②曲线解读 a图1中A点表示CO2补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度。 b图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。 c B点和B′点对应的CO2浓度都表示CO2饱和点。 ③应用：在农业生产上可以通过通风，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合速率。 （3）温度 ①原理：温度通过影响酶的活性影响光合作用，主要制约暗反应。 ②应用：温室栽培植物时，白天调到光合作用最适温度，以提高光合速率；晚上适当降低室内温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。 （4）水分和矿质元素 ①原理 a水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质，也参与光合作用过程中反应物和生成物的运输；水还会影响气孔开闭，从而影响CO2进入植物体，间接影响光合作用。 b N、Mg、Fe等是叶绿素合成的必需元素，若这些元素缺乏，会影响叶绿素的合成从而影响光合作用。 叶绿素的组成元素:C,H,O,N,Mg ATP,NADPH的组成元素:C,H,O,N,P ②应用：施肥的同时，往往适当浇水，小麦的光合速率会更大，此时浇水的原因是肥料中的矿质元素只有溶解在水中，以离子形式存在，才能被作物根系吸收。同时可以保证小麦吸收充足的水分，保证叶肉细胞中CO2的供应。 （5）多因子变量对光合速率的影响 植物生活的环境是复杂多样的，环境中的各种因素对光合作用的影响是综合的。下面的曲线是科学家研究多种因素对光合作用影响得到的结果。请分析回答： ①这三种研究的自变量分别是什么？ 光照强度、温度； 光照强度、温度； 光照强度、CO2浓度。 ②图3的研究中，对温度条件的设定有何要求？为什么？ 　需要保持在最适温度，这样可能使实验结果更加明显。 ③图1中P点光照强度下，要想提高光合速率，可以采取什么措施？ 提高CO2浓度 ④据图1分析，在30 ℃条件下，光照强度达到Q点之后，光合作用速率不再增加，限制因素可能有哪些？ 　 光合色素的含量、空气中CO2浓度。 ⑤图1结果不足以说明30 ℃是光合作用最适宜温度，为什么？如何改进实验才能获得正确的结果？ 　实验提供的温度条件太少，需要在20～40 ℃之间增加温度梯度进行实验。 ⑥Q点之后，曲线会明显下降的是哪一个图？原因是什么？ 　图2；温度升高，酶的活性会下降，甚至失活。 Ⅱ内部因素（填空题的答案：光合色素的含量，酶的活性和数量，C5的含量） (1)植物品种不同，如阴生植物、阳生植物 (2)植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶 四、光合作用和细胞呼吸的综合分析 1.　光合作用与细胞呼吸过程中的物质能量的关系 Ⅰ光合作用和有氧呼吸中各种元素的去向 (1)C：CO2(CH2O)丙酮酸 CO2。 (2)H：H2ONADPH(CH2O) [H ] H2O。 (3)O：H2OO2 H2O CO2 (CH2O)。 Ⅱ光合作用与有氧呼吸中的能量转化 2.真正光合速率（总光合速率）、净光合速率和呼吸速率 (1)真正光合速率、净光合速率和呼吸速率关系 ①真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率 ②上图中光照强度大于C时，OA段表示植物呼吸速率，OF段表示植物净光合速率，则真正光合速率＝OA＋OF。 ③植物绿色组织只有在黑暗条件下测得的数值为呼吸速率(A点)。 ④植物绿色组织在有光条件下光合作用与细胞呼吸同时进行，测得的数据为净光合速率。 (2)曲线分析 曲线对应点 细胞生理活动 植物组织外观表现 图示 A点 光照强度为0，即黑暗条件，只进行细胞呼吸 从外界吸收O2，向外界排出CO2 AB段 随光照强度增强，光合作用强度增强，但仍比呼吸作用强度弱 从外界吸收O2，向外界排出CO2 B点 光合作用强度等于呼吸作用强度，而此时的光照强度为光补偿点 与外界不发生气体交换 BD段 光合作用强度随光照强度的增强而增强，而且光合作用强度大于呼吸作用强度 从外界吸收CO2，向外界释放O2——此时植物可更新空气 DE段 光合作用强度达到饱和，不再随光照强度增大而增强 常用表示方法（背过）： 项目 含义 表示方法(单位面积的叶片在单位时间内变化量) O2 CO2 有机物 真正光合速率 植物在光下实际合成有机物的速率 O2产生(生成)速率或叶绿体释放O2量 CO2固定速率或叶绿体吸收CO2量 有机物产生(制造、生成)速率 净光合速率 植物有机物的积累速率 植物或叶片或叶肉细胞O2释放速率 植物或叶片或叶肉细胞CO2吸收速率 有机物积累速率 呼吸 速率 单位面积的叶片在单位时间内分解有机物的速率 黑暗中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率 （3）点移动问题 ①细胞呼吸加强时（如温度改变，与呼吸作用有关的酶的活性升高），其O2吸收量或CO2释放量均增加（离O点越远），图示A点下移 ②若改变的条件不利于光合作用（如缺Mg2＋，温度变的不适宜等）时，光补偿点（即B点）应右移，光饱和点（C）应左移，D点向左下移 3.植物光合作用和细胞呼吸作用的日变化曲线分析 Ⅰ.开放环境中CO2吸收、释放量昼夜变化曲线分析 （1）曲线的各点含义及形成原因分析如下： ①a点：凌晨3时～4时，温度降低，呼吸作用减弱，CO2释放减少。 ②b点：上午6时左右，太阳出来，开始进行光合作用。 ③bc点：光合作用强度小于呼吸作用强度。 ④c点：上午7时左右，光合作用强度等于呼吸作用强度。 ⑤ce段：光合作用强度大于呼吸作用强度。 ⑥d点：温度过高，部分气孔关闭，CO2供应量减少，出现“午休”现象。 ⑦e点：下午6时左右，光合作用强度等于呼吸作用强度。 ⑧ef段：光合作用强度小于呼吸作用强度。 ⑨fg段：太阳落山，停止光合作用，只进行呼吸作用。 （2）绿色植物一昼夜内有机物的“制造”、“消耗”与“积累” Ⅱ.相对密闭的环境中，—昼夜CO2含量的变化曲线图 曲线 模型 AB段 无光照，植物只进行细胞呼吸 BC段 温度降低，细胞呼吸减弱 CD段 C点后，微弱光照，开始进行光合作用，但光合作用强度<细胞呼吸强度 D点 光合作用强度＝细胞呼吸强度 DH段 光合作用强度>细胞呼吸强度。其中FG段表示“光合午休”现象 H点 光合作用强度＝细胞呼吸强度，有机物积累最多 HI段 光照继续减弱，光合作用强度<细胞呼吸强度，直至光合作用完全停止 I点 I点低于A点，说明一昼夜密闭容器中CO2浓度减少，即总光合量大于总呼吸量，植物能生长。 4.光合速率的测定方法 Ⅰ“液滴移动法” [实验原理] ①甲装置在黑暗条件下植物只进行细胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。 ②乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液（或CO2缓冲液）保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。 ③真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。 ④物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。 Ⅱ　黑白瓶法 通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算总光合作用强度的试题是常见题型，掌握常见的“黑白瓶”问题的测定原理，是解答此类试题的关键。具体方法如下： ①“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”给予光照，测定的是净光合作用量。总光合作用量（强度）＝净光合作用量（强度）＋有氧呼吸量（强度）。 ②有初始值的情况下，黑瓶中O2的减少量（或CO2的增加量）为有氧呼吸量；白瓶中O2的增加量（或CO2的减少量）为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。 ③在没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量－黑瓶中测得的现有量＝总光合作用量。 【典例】 下表所示是采用黑白瓶（不透光瓶—可透光瓶）法测定夏季某池塘不同深度水体中，初始平均O2浓度与24小时后平均O2浓度比较后的数据。下列有关分析正确的是（　　） 水深/m 1 2 3 4 白瓶中O2浓度/（g·m－2） ＋3 1.5 0 －1 黑瓶中O2浓度/（g·m－2） －1.5 －1.5 －1.5 －1.5 A.水深1 m处白瓶中水生植物24小时产生的O2为3 g/m2 B.水深2 m处白瓶中水生植物光合速率等于所有生物的呼吸速率 C.水深3 m处白瓶中水生植物不进行光合作用 D.水深4 m处白瓶中藻类植物产生ATP的场所是叶绿体、细胞质基质和线粒体 答案　D Ⅲ　半叶称重法 在测定时，叶片一半遮光，一半曝光，分别测定两半叶的干物质重量，进而计算叶片的真正光合速率、呼吸速率和净光合速率。需要注意的是该种方法在实验之前需对叶片进行特殊处理，以防止有机物的运输。 【典例】 某研究小组采用“半叶法”对番茄叶片的光合速率进行测定。将对称叶片的一部分（A）遮光，另一部分（B）不做处理，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6小时后，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，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合速率，其单位是mg/（dm2·h）。请分析回答下列问题： （1）MA表示6 h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量；MB表示6 h后（　　）＋（　　　　）－呼吸作用有机物的消耗量。 （2）若M＝MB－MA，则M表示_______________________________________。 （3）真正光合速率的计算方法是______________________________。 （4）本方法也可用于测定叶片的呼吸速率，写出实验设计思路。_________________________________。 答案　（1）叶片初始质量　光合作用有机物的总产量　（2）B叶片被截取部分在6 h内光合作用合成的有机物总量 （3）M值除以时间再除以面积，即M/（截取面积×时间） （4）将从测定叶片的相对应部分切割的等面积叶片分开，一部分立即烘干称重，另一部分在暗中保存几小时后再烘干称重，根据二者干重差即可计算出叶片的呼吸速率。 Ⅳ　叶圆片称重法 本方法通过测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，如图所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。 Ⅴ　间隔光照法——比较有机物的合成量 光反应和暗反应在不同酶的催化作用下相对独立进行，由于催化暗反应的酶的催化效率和数量都是有限的，因此在一般情况下，光反应的速率比暗反应快，光反应的产物ATP和[H]不能被暗反应及时消耗掉。持续光照，光反应产生的大量的[H]和ATP不能及时被暗反应消耗，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，则黑暗间隔有利于充分利用光照时积累的光反应的产物，持续进行一段时间的暗反应。因此在光照强度和光照时间不变的情况下，制造的有机物相对多。 【典例】 （2015·全国卷Ⅰ，29）为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135 s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下： A组：先光照后黑暗，时间各为67.5 s；光合作用产物的相对含量为50%。 B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5 s；光合作用产物的相对含量为70%。 C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75 ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%。 D组（对照组）：光照时间为135 s；光合作用产物的相对含量为100%。 回答下列问题： （1）单位光照时间内，C组植物合成有机物的量　　　　（填“高于”“等于”或“低于”）D组植物合成有机物的量，依据是_______________；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要　　　　，这些反应发生的部位是叶绿体的　　　　。 （2）A、B、C三组处理相比，随着_______________________________________ 的增加，使光下产生的　　　　能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。 答案　（1）高于　C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94%　光照　基质 （2） 光照和黑暗交替频率　ATP和还原型辅酶Ⅱ 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！1 学科网（北京）股份有限公司 $$