2025届高考生物一轮复习：第10讲 光合作用

第10讲 光合作用 课程要求 考点1 捕获光能的色素和结构 考点2 绿叶中色素的提取和分离 考点3 光合作用原理的探究 考点4 光合作用的原理 考点5 探究环境因素对光合作用强度的影响 考点6 光合作用的影响因素及应用 考点7 光合作用和细胞呼吸综合的分析 ① 科学史以选择题更常见，当然也可考大题（如卡尔文循环实验） ② 光合作用的过程多以曲线图或者实验数据为信息载体 ③ 环境因素对净光合速率的影响几乎每年必考！大题概率很大！ ④ 注意“气孔导度”和“光呼吸” ⑤ 有可能结合植物激素进行考察 亲爱的xxx同学： 你好！我是一个农民，在耕种过程中遇到了一些困惑，希望得到你的帮助： 困惑①：一年中会经常碰到光照强度很弱，甚至是阴雨的天气，这时该怎么做才能不影响产量呢？ 困惑②：我家大棚一直都是施化肥，有人建议增施农家肥，这是为什么呢？ 困惑③：晴天中午，经常看到有的塑料大棚的薄膜一角会被卷起，这是为什么？ 困惑④：听说新疆番茄产量高、个头大、含有机物也多，要是我家的番茄也能这样该多好啊？ 通过本节学习，请写一封提供建议的回信！ 01 捕获光能的色素和结构 1.捕获光能的色素和结构 1.捕获光能的色素——绿叶中色素的种类和颜色 色素的种类 色素的颜色 叶绿素 叶绿素a ______色 叶绿素b ______色 类胡萝卜素 ________ 黄色 __________ 橙黄色 蓝绿 黄绿 叶黄素 胡萝卜素 记忆：从上到下、胡黄AB、橙黄蓝黄 光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400-760nm。不同波长的光，颜色不同。一般情况下光合作用利用的都是可见光。 1.捕获光能的色素和结构 1.捕获光能的色素——绿叶中色素的吸收光谱及其分析 阳光(白光)在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。 变换光的波长测定色素的吸收光谱 1.捕获光能的色素和结构 1.捕获光能的色素——绿叶中色素的吸收光谱及其分析 1.捕获光能的色素——绿叶中色素的吸收光谱及其分析 1.捕获光能的色素和结构 类胡萝卜素 由图可以看出： 吸收范围 色素功能 可见光的波长是: ， 400~760nm 一般绿叶中的色素只吸收 。对红外光和紫外光不吸收 可见光 叶绿素主要吸收: ， 类胡萝卜素主要吸收: ， 红光和蓝紫光 蓝紫光 叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同 吸收、传递（四种色素都有）、 转化（只有少数特殊状态的叶绿素a）光能 叶绿素a: C55H72O5N4Mg 叶绿素b: C55H70O6N4Mg 胡萝卜素：C40H56 叶黄素：C40H56O2 1.捕获光能的色素和结构 光合色素功能： 吸收、传递、转化光能 10 [色素相关判断] [2017年全国卷III] 光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示（ ） √ 1.捕获光能的色素和结构 光合作用光反应阶段色素对光的吸收会影响暗反应阶段对CO2的利用,所以光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示 2.叶绿体的结构适于进行光合作用 1.捕获光能的色素和结构 ①叶绿体的结构 核糖体 DNA 类囊体薄膜 外膜 内膜 类囊体 基质 基质 基粒 基粒 Ⅰ.电子显微镜下，叶绿体由双层膜包被，内含许多基粒（由类囊体堆叠而成），基粒和基粒之间充满基质 Ⅱ.吸收光能的色素分布在 上。叶绿体内由众多的基粒和类囊体，极大扩展了受光面积。 类囊体薄膜（光合膜） 12 2.叶绿体的结构适于进行光合作用 1.捕获光能的色素和结构 ①叶绿体的结构 注意：类囊体薄膜不属于叶绿体内膜，属于生物膜 Ⅲ.在 中，还有许多进行光合作用所必需的酶。色素和酶叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础 类囊体膜上和叶绿体基质 1g菠菜叶片中的类囊体总面积有60m2左右。 13 Ⅳ.叶绿体的观察[P100细节] 取材：取藓类或黑藻，或菠菜 。 形态：椭圆形和球形（光学显微镜） 类囊体（电学显微镜） 2.叶绿体的结构适于进行光合作用 1.捕获光能的色素和结构 稍带叶肉的下表皮（下表皮叶绿体少而大） 3.叶绿体功能的实验验证 1.捕获光能的色素和结构 ①.实验者： 德国科学家恩格尔曼 ②.实验材料： 水绵(叶绿体呈螺旋带状分布) ③.实验一过程： 水绵 需氧细菌 极细光束照射 完全曝光 黑暗 无空气 需氧细菌集中于叶绿体被光束照射的部位 需氧细菌分布于叶绿体所有受光部位 3.叶绿体功能的实验验证 1.捕获光能的色素和结构 ①.实验者： 德国科学家恩格尔曼 ②.实验材料： 水绵 ③.实验二过程： 透过三棱镜的光 照射水绵临时装片 需氧细菌聚集在红光和蓝紫光的区域 3.叶绿体功能的实验验证 1.捕获光能的色素和结构 ①.实验者： 德国科学家恩格尔曼 ②.实验材料： 水绵 ③.实验二过程： ④.综合上述两个实验可以得出： 叶绿体能__________用于光合作用释放____；叶绿体主要吸收______________。 吸收光能 氧 红光和蓝紫光 类胡萝卜素在绿光（或蓝绿色）处也有吸收峰，但国内教材都不提 叶绿素 吸收：蓝紫光和红光 反射：绿光 类胡萝卜素 吸收：蓝紫光 反射：黄光、橙光和红光 色素颜色由其反射的光所决定 1.捕获光能的色素和结构 实验分析——恩格尔曼实验设计的巧妙之处 ①实验材料的选择： 选择水绵——具有细而长的 叶绿体便于观察。 ②排除干扰的方法： 没有空气的黑暗环境排除了__________的干扰。 ③观察指标的设计： 通过检测 的分布，准确地判断出释放氧气的部位。 ④实验对照的设计： 用极细的光束照射，叶绿体上可分为________和________的部位，相当于一组 ；临时装片_________与完全暴露在光下的实验再一次验证实验结果。 局部曝光 有光照 无光照 需氧细菌 氧气和光 螺旋带状 对比实验 1.捕获光能的色素和结构 1．叶绿素a和b主要吸收红光和蓝紫光。 (　　) 2．液泡中色素吸收的光能用于光合作用。 (　　) 提示：叶绿体中色素吸收的光能用于光合作用。 3．叶片黄化，叶绿体对红光的吸收增多。 (　　) 提示：叶片黄化，说明叶绿体中的叶绿素减少，所以吸收红光减少。 4．光合作用需要的色素和酶分布在叶绿体基粒和基质中。(　　) 提示：叶绿体基质中有酶分布，但没有色素。 5．没有叶绿体，细胞不能进行光合作用。 (　　) 提示：蓝细菌细胞中没有叶绿体，但含有叶绿素和藻蓝素，能进行光合作用。 √ × × × × 问题：温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？ 1.捕获光能的色素和结构 大棚内照明灯的颜色选取：选用蓝紫光或红光照明灯比同等功率的白光照明灯对光的利用率更高，所以照明灯选用蓝紫光或红光； 大棚的塑料薄膜颜色的选取：太阳光是一定的，无色透明塑料薄膜可让七色光透过（切记无色不是白色），而有色透明塑料薄膜则主要让同色光透过(如:红色薄膜主要透过红光)，所以无色透明塑料薄膜透过的光合作用可利用的光更多。 20 1.捕获光能的色素和结构 1．一般植物的叶片在春夏季节为绿色，而在秋季呈现黄色。出现这一现象的原因是： 春夏季节叶片中的叶绿素含量较多，叶绿素对 绿光吸收较少，绿光大部分被反射出来，所以叶片会呈现绿色。 而到了秋季，气温降低导致叶绿素被破坏，而类胡萝卜素比较稳定，叶片中主要是类胡萝卜素，故而呈现黄色 2.秋天枫叶变红色的原因是什么？ 秋天降温时，植物体为适应寒冷环境，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶片呈现红色。 影响叶绿素合成的三大因素 (1)光照 光照是影响叶绿素合成的主要因素，植物在黑暗中一般不能合成叶绿素，因而叶片发黄。 (2)温度 温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成；另外，低温时叶绿素分子易被破坏，因而秋天叶片变黄。 (3)矿质元素 叶绿素中含N、Mg等矿质元素，若缺乏将导致叶绿素无法合成，老叶先变黄；Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分，缺Fe也会导致叶绿素合成受阻，幼叶先变黄。 1.捕获光能的色素和结构 22 1.捕获光能的色素和结构 P731．(2023·辽宁丹东期末)如图是绿色植物光合作用过程中叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱图。据图分析下列叙述正确的是(　) A．c为类胡萝卜素，它在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成 B．叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，而不吸收绿光， 绿光被反射出来，所以叶片呈绿色 C．可根据绿叶中的色素在层析液中的溶解度 不同来提取色素 D．胡萝卜素在层析液中的溶解度最大，叶绿 素b在层析液中的溶解度最小 D c为类胡萝卜素，主要吸收蓝紫光，几乎不吸收红光，所以几乎不能利用红光来合成光反应中的ATP，A错误；叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，叶绿素和类胡萝卜素对绿光吸收最少而被反射出来，所以叶片呈现绿色，B错误；根据绿叶中的色素可溶解在无水乙醇中来提取，根据色素在层析液中的溶解度不同来分离色素，C错误；胡萝卜素在层析液中的溶解度最大，色素带位于滤纸最上端，叶绿素b在层析液中的溶解度最小，色素带位于滤纸最下端，D正确。 1.捕获光能的色素和结构 2．(2023·河南安阳调研)叶绿体是植物进行光合作用的场所，下列关于叶绿体结构与功能的叙述，正确的是 (　　) A．叶绿体中的色素的合成都需要Mg2+和光照 B．H2O在光下分解为NADPH和O2的过程发生在基质中 C．CO2的固定过程发生在类囊体薄膜上 D．光合作用的产物——淀粉是在叶绿体基质中合成的 D 只有叶绿素的合成才需要Mg2+和光照，A错误；水的光解是光反应过程，发生在叶绿体类囊体薄膜上，B错误；CO2的固定发生在暗反应过程中，场所为叶绿体基质，C错误；光合作用的产物——淀粉是在叶绿体基质中合成的，D正确。 02 绿叶中色素的提取和分离 2.绿叶中色素的提取和分离 1.实验原理: 可以用体积分数95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来替代。 提取色素 分离色素 绿叶中的色素能够溶解在 中，而不溶于水，可用 叶中的色素 各种色素在层析液中 不同， 的随 在滤纸上扩散得快，反之则慢，从而使各种色素相互分离（纸层析法） 有机溶剂无水乙醇 无水乙醇 溶解度 溶解度高 层析液 2.绿叶中色素的提取和分离 2.实验步骤: 提取色素 分离色素 研磨 过滤 收集滤液 绿叶剪碎 ：研磨充分 ：保护色素（中和有机酸，防止叶绿素被破坏） ：溶解色素 制备滤纸条 画滤液细线 分离滤液中的色素 一端剪去两角：使 . 细、齐、直（待干后重复一到两次） 滤纸条插入层析液中，滤液细线不能 防止色素溶于层析液中 二氧化硅 碳酸钙 无水乙醇 扩散均匀 触及层析液 1 2 ①称取5g的绿叶，剪碎，放入研钵中。 ②放入少许二氧化硅和碳酸钙，再放入10mL无水乙醇，迅速、充分地研磨。 2.绿叶中色素的提取和分离 ③将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤。 ④将滤液收集到试管中，及时用棉塞将试管口塞严。 用单层尼龙布过滤（不能用滤纸），过滤叶脉及二氧化硅等并且不吸附色素。 盛放滤液的试管用橡胶塞塞紧，防止无水乙醇的挥发。 3 4 2.实验步骤: 28 ①制备滤纸条：画铅笔线前剪去滤纸条一端两角防止层析液在滤纸条边缘扩散过快。 ②画滤液细线：用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线画， 重复画（积累色素）， 细齐直（防止色素带出现重叠） 2.绿叶中色素的提取和分离 ③层析液层析：将滤纸条放入层析液，层析液不能没及滤液细线。 盖上盖子，防止层析液挥发，因其易挥发且有毒。 （石油醚、丙酮、苯混合） 3.实验结果 色素种类 色素含量 色素带宽度 溶解度 扩散速度 胡萝卜素 叶黄素 叶绿素ａ 叶绿素ｂ 最窄 较窄 最宽 较宽 最少 较少 最多 较多 最高 较高 较低 最低 最快 较快 较慢 最慢 2.绿叶中色素的提取和分离 4.总结注意事项及原因 2.绿叶中色素的提取和分离 ①选新鲜绿色的叶片 ②研磨时加入无水乙醇 ③加少量SiO2和CaCO3 ④迅速、充分研磨 ⑤过滤时，不能用滤纸，要用单层尼龙布（或脱脂棉） ⑥收集滤液的试管管口加棉塞 使滤液中的色素含量 溶解色素 有助于研磨充分和防止色素被破坏 防止乙醇挥发；防止色素分解 单层尼龙布（或脱脂棉）能过滤叶脉及SiO2等研磨液中的杂质；滤纸会吸附色素，降低滤液中色素的含量，使实验效果不明显 减少乙醇挥发；防止色素氧化 碳酸钙中和草酸 4.总结注意事项及原因 2.绿叶中色素的提取和分离 ⑦滤纸预先干燥处理 ⑧将滤纸的一端剪去两角 ⑨滤液细线要细、直、匀 ⑩滤液细线干燥后再画1~2次 ⑪滤液细线不触及层析液 干燥滤纸透性好、吸收滤液多，使层析液在滤纸上快速扩散 使层析液同步到达滤液细线，防止色素带不整齐 使分离出的色素带平整不重叠 为积累更多色素，使分离后色素带清晰分明 防止色素直接溶解于层析液中而无法分离 ⑫试管加棉塞（或小烧杯加盖） 防止层析液中成分挥发 5.实验异常现象分析 2.绿叶中色素的提取和分离 未加二氧化硅，研磨不充分 使用放置数天的绿叶，滤液色素(叶绿素)太少 一次加入大量的无水乙醇，提取液浓度太低(正确做法：分次加入少量无水乙醇提取色素) 未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏 现象1：提取色素时，收集的滤液色素过浅 忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶” 现象2：滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带 色素总量不变，溶剂变多，浓度下降 5.实验异常现象分析 2.绿叶中色素的提取和分离 未经干燥处理 滤液细线没有达到细、齐、直的要求,使色素扩散不一致 现象3：色素分离时，滤纸条色素带重叠 忘记画滤液细线 滤液细线接触到层析液且时间较长，色素全部溶解到层析液中 现象4：滤纸条未出现色素带 圆形滤纸打孔 色素提取液 笔帽 滤液细线 棉线 (灯芯) 蘸取 盖 穿过中间孔 盖 层析液 结果 橙黄色 黄色 蓝绿色 黄绿色 避免了滤液细线触及层析液 1 2 3 4 6 5 层析 色素分离的改进 —— 灯芯法 2.绿叶中色素的提取和分离 35 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，结果会出现不同颜色的4个同心圆，则①-④依次对应哪种色素及颜色？ 提示：①——胡罗卜素（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） 2.绿叶中色素的提取和分离 海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻、红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象是如何造成的？ 拓展 藻类（绿藻、褐藻和红藻）的色素 2.绿叶中色素的提取和分离 不同波长的光在水中的穿透力是不同的，波长越短，能量越多，透射的深度也就越深。可见光中，红光的波长最长，透射的深度也就最浅。 37 拓展 藻类（绿藻、褐藻和红藻）的色素 藻类 色素种类 含量最多的色素 水层及主要存在的光 绿藻 叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素 叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，反射绿光 浅水层存在红光和蓝紫光 褐藻 叶绿素a、叶绿素c、胡萝卜素、6种叶黄素 某种叶黄素主要吸收绿光和蓝紫光，反射红黄光 中水层存在绿光和蓝紫光 红藻 叶绿素a、叶绿素d、胡萝卜素、叶黄素、藻红素、藻蓝素 藻红素主要吸收蓝紫光，反射红光 深水层存在蓝紫光 2.绿叶中色素的提取和分离 38 拓展 藻类（绿藻、褐藻和红藻）的色素 2.绿叶中色素的提取和分离 海洋中的藻类垂直分布是海洋群落垂直结构的体现，有效的避免的竞争，充分利用了光能。 扩展：藻类都必须含有的光合色素是叶绿素a,因为叶绿色a是转化光能的色素。其他色素主要是吸收和传递光能。 39 2.绿叶中色素的提取和分离 40 比较项目 光合色素 （液泡中）细胞液色素 存在部位 叶绿体 液泡 溶解性 代表种类 类胡萝卜素和叶绿素 花青素 颜色 橙黄、黄、绿 红、蓝、紫 颜色变化 不随pH改变变化颜色 随pH改变变化颜色 红苋菜：炒菜菜汤出色，因为是水溶性的花青素。 胡萝卜：炒菜菜汤不出色，因为是脂溶性的胡萝卜素。 2.绿叶中色素的提取和分离 脂溶性 水溶性 41 1.捕获光能的色素和结构 2．研究表明，光照会影响韭菜叶绿素的合成，但不会影响类胡萝卜素的合成。请利用色素的提取和分离技术，以暗处生长的韭菜幼苗作为材料，设计实验以验证这一结论。要求简要写出实验思路和预期结果。 实验思路：将一部分韭菜幼苗置于光照条件下培养(甲组)，另一部分韭菜幼苗置于黑暗条件下培养(乙组)。一段时间后，提取并用纸层析法分离两组韭菜中的色素，比较滤纸条上的色素带　 预期结果：甲组滤纸条上的橙黄色和黄色的色素带与乙组滤纸条上的橙黄色和黄色的色素带基本一致；甲组滤纸条上有蓝绿色和黄绿色的色素带，乙组滤纸条上没有蓝绿色和黄绿色的色素带 3．(2023·全国甲卷)某同学将从菠菜叶中分离到的叶绿体悬浮于缓冲液中，给该叶绿体悬浮液照光后有糖产生。回答下列问题。 (1)叶片是分离制备叶绿体的常用材料，若要将叶肉细胞中的叶绿体与线粒体等其他细胞器分离，可以采用的方法是___________(答出1种即可)。叶绿体中光合色素分布在___________上，其中类胡萝卜素主要吸收______ (填“蓝紫光”“红光”或“绿光”)。 (2)将叶绿体的内膜和外膜破坏后，加入缓冲液形成悬浮液，发现黑暗条件下悬浮液中不能产生糖，原因是__________________________________________。 差速离心法 类囊体薄膜　 蓝紫光 黑暗条件下，光反应无法进行，暗反应没有光反应提供的ATP和NADPH，所以无法形成糖 (3)叶片进行光合作用时，叶绿体中会产生淀粉。请设计实验证明叶绿体中有淀粉存在，简要写出实验思路和预期结果。 _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 实验思路：将生长状况良好且相同的植物叶片暗处理一昼夜后分为甲、乙两组，甲组放置在有光条件下，乙组放置在其他环境条件相同的黑暗状态下，一段时间后，将叶片脱色，然后用差速离心法提取出甲、乙两组的叶绿体，制成匀浆，分别加入碘液后观察。 预期结果：甲组匀浆出现蓝色，有淀粉产生；乙组无蓝色出现，无淀粉产生 2.绿叶中色素的提取和分离 1．(2023·东北育才中学调研)下列有关绿叶中色素的提取和分离实验的说法，正确的是(　　) A．根据绿叶中色素在无水乙醇中溶解度不同，可对色素进行分离 B．分离色素时，蓝绿色的色素带距离滤液细线最远 C．利用纸层析法可分离4种叶绿体色素 D．绿叶中色素在层析液中的溶解度越高，在滤纸上扩散就越慢 C 根据绿叶中色素在层析液中溶解度不同，可对色素进行分离，A错误；分离色素时，橙黄色的色素带(胡萝卜素)距离滤液细线最远，B错误；绿叶中色素在层析液中的溶解度越高，在滤纸上扩散就越快，D错误。 2．(2023·深圳二模)某研究小组用四种不同的方法对欧李叶片中的光合色素进行提取，实验结果如图所示。下列分析错误的是(　) A．研磨法提取时使用碳酸钙 可以防止色素被破坏 B．不同提取剂的提取效果会 受到提取方法的影响 C．丙酮和乙醇的混合液提取 光合色素的效果最佳 D．四种提取色素的方法都涉 及细胞膜结构的破坏 C 碳酸钙可以中和有机酸，防止色素被破坏，A正确；由图可知，研磨法的提取效果最好，故不同提取剂的提取效果受到提取方法的影响，B正确；根据图表可知丙酮和乙醇的混合液提取光合色素的量在干样浸提法中较少，所以其效果不算最佳，C错误；色素位于细胞内，想提取色素必须破坏细胞膜结构，所以四种提取色素的方法都涉及细胞膜结构的破坏，D正确。 1．(2023·全国乙卷)植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述，错误的是(　　) A．氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素 B．叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上 C．用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰 D ．叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得越慢 D 氮元素和镁元素都是构成叶绿素分子的必需元素，A正确；光合色素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上，B正确；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，C正确；叶绿体中的色素在层析液中溶解度越高，扩散得越快，D错误。 $$