2026届高考生物一轮复习讲义第16讲　光合作用的原理

第16讲　光合作用的原理 【课标要求】 说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转化并储存为糖分子中的化学能。 考点1　对光合作用的探究历程 考 点 透 析 1. 探究光合作用原理的部分实验 2. 光合作用经典实验中的对照和变量的分析 经典实验 变量分析 自变量相关设置 因变量观察指标 无关变量 恩格尔曼水绵和好氧细菌实验 对照组：完全暴露在光下； 实验组：黑暗环境下极细光束照射 好氧细菌分布情况 水绵与好氧细菌的临时装片处于密闭环境中 恩格尔曼三棱镜照射水绵和好氧细菌实验 对照组：正常光源照射； 实验组：黑暗环境下光线经三棱镜后照射 鲁宾和卡门的18O标记实验 实验组中，一组为植物提供H2O和C18O2，另一组为植物提供HO和CO2 小球藻释放O2的相对分子质量情况(质谱仪测量反应氧中同位素比值) 光照、温度、实验材料的新鲜程度等 卡尔文14C标记实验 实验时间(用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，实验进行不同时间后，追踪检测小球藻叶绿体中含有放射性的物质和种类) 小球藻叶绿体中含有放射性的物质和种类 光照、温度、实验材料的新鲜程度、检测时间的选择等 思辨小练 1. 判断下列说法的正误： (1)萨克斯将暗处理过的叶片部分遮光后放在光下，然后用碘蒸汽检测发现曝光部分叶片呈蓝色，说明光合产物有淀粉。(√) (2)鲁宾和卡门运用放射性同位素标记法，得出O2来自H2O的分解。(×) 提示：鲁宾和卡门运用稳定性同位素标记法，得出O2来自H2O的分解，18O无放射性。 (3)希尔的实验只研究了水的光解，不能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。(×) 提示：希尔的实验中，离体叶绿体的悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料CO2，该反应不能产生含碳的糖类，所以能说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应。 2. 下面是验证叶绿体功能实验中恩格尔曼所做的实验示意图，请分析： (1)恩格尔曼实验要在没有空气的黑暗环境中进行，原因是什么？ 提示：排除氧气和极细光束外的其他光的干扰。 (2)在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？ 提示：因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于需氧细菌在此区域分布。 典 题 说 法 考向　探究光合作用的经典实验 例 (2024·常州期末)某同学利用醋酸杆菌和普通载玻片重复恩格尔曼实验，对装片进行12 h的暗处理后给予全光照，实验结果如图所示。下列相关叙述正确的是(C) A. 醋酸杆菌对氧气不敏感，需要更换需氧菌进行实验 B. 不断增大培养液中醋酸杆菌密度，实验现象越明显 C. 为方便观察，最好将普通载玻片换成单凹面载玻片 D. 进行本实验时，无需考虑醋酸杆菌培养液的浓度 【解析】醋酸杆菌对氧气敏感，可以进行该实验，A错误；如果醋酸杆菌浓度太高，会造成叶绿体附近和较远处都有大量的菌体分布，看不到叶绿体光照下放出氧气吸引醋酸杆菌的预期现象，B错误；图中实验结果是醋酸杆菌在水绵的一侧分布多另一侧分布少，出现此现象的原因是盖盖玻片时“盖玻片—水绵—载玻片”形成了小封闭空间，阻碍了醋酸杆菌向水绵的另一侧流动，而水可以通过水绵与载玻片、盖玻片之间的微小空隙流向对侧，采用单凹载玻片可以克服该不足，C正确；醋酸杆菌培养液的浓度合理可以保持醋酸杆菌旺盛的生命力，使实验现象更明显，D错误。 考点2　光合作用的原理 考 点 透 析 知识1　光合作用的概念 1. 光合作用指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。 2. 总反应式：CO2＋H2O(CH2O)＋O2。  深 度 指 津 光合作用和化能合成作用的比较 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等无机物合成为有机物；都是自养生物 知识2　光合作用的过程 1. 光合作用包括光反应阶段和暗反应(碳反应)阶段。在光反应阶段，在类囊体薄膜上发生了水的光解以及ATP、NADPH等物质的合成；在暗反应阶段，CO2经过一系列反应，生成了糖类等有机物。 2. 光反应和暗反应的区别和联系 过程 光反应 暗反应 条件 必须有光 有光、无光都能进行(但若光反应停止，暗反应只能持续一小段时间) 场所 叶绿体类囊体膜 叶绿体基质 物质 转化 ①水的光解： 2H2O4H＋＋O2＋4e－ ②NADPH的合成：NADP＋＋H＋＋2e－NADPH ③ATP的合成：ADP＋Pi＋能量ATP ①CO2固定： C5＋CO22C3 ②C3的还原： 能量 转化 光能→ATP和NADPH中的化学能→有机物中的化学能 联系 光反应为暗反应提供ATP和NADPH，NADPH既可作还原剂，又可提供能量。暗反应为光反应提供ADP、Pi以及NADP＋(注意产生位置和移动方向) 新视野 光合磷酸化、卡尔文循环与光合产物的输出 1. 在光反应过程中，伴随着电子传递及光合磷酸化 (1)光系统Ⅱ进行水的光解，产生氧气、H＋和自由电子(e－)，电子(e－)经过电子传递链传递，最终介导NADPH的产生。 (2)电子传递过程中释放能量，利用这部分能量将质子(H＋)逆浓度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧，从而建立了质子浓度(电化学)梯度。光系统Ⅱ通过在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生质子(H＋)以及在类囊体的基质侧H＋和NADP＋形成NADPH的过程，建立质子浓度(电化学)梯度。 (3)类囊体膜对质子是高度不通透的，因此，类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子顺浓度流出的能量来合成ATP。 2. 暗反应与卡尔文循环 美国科学家卡尔文运用放射性同位素标记法，搞清了暗反应阶段的大致反应过程，俗称卡尔文循环。主要包括CO2固定阶段(羧化反应)、C3还原阶段以及C5的再生阶段的一系列化学反应。如下图所示。 3. 光合产物及运输 (1)磷酸丙糖是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。 (2)光合作用产生的磷酸丙糖既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶绿体膜上的磷酸转运器运出叶绿体，在细胞质基质中合成蔗糖。合成的蔗糖或临时储藏于液泡内，或从光合细胞中输出，经韧皮部装载长距离运输到其他部位。 思辨小练 1. 判断下列说法的正误： (1)光反应产生的ATP只用于暗反应。(×) 提示：叶绿体是半自主性细胞器，光反应产生的ATP也可用于叶绿体内发生的其他耗能过程，如DNA复制、蛋白质合成等。 (2)叶绿体中的ATP全部源自光反应。(×) 提示：叶绿体内膜上存在的ATP/ADP交换体证明外部ATP可以进入叶绿体供能。 (3)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后，可完成暗反应过程。(√) 2. 光合作用中元素的转移途径 H：3H2ONADPH中的3H(C3H2O)。 C：14CO214C3(14CH2O)。 O：HO18O2；C18O2C3(CHO)。 3. 光照停止后暗反应短时间仍然能够持续，但无法长时间正常进行，原因是什么？CO2不足，暗反应减弱后光反应也无法正常进行，原因是什么？ 提示：暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH，停止光照使光反应停止，但叶绿体中仍有少量ATP和NADPH能使暗反应持续进行一段时间；过了这段时间后，暗反应因缺少ATP和NADPH而无法进行。光反应需要暗反应提供的ADP、Pi和NADP＋，CO2不足使暗反应减弱后，光反应在缺少原料的情况下无法正常进行。 典 题 说 法 考向1　光合作用的过程 例1 (2025·盐城八校联考)植物中许多含铁化合物都参与了光合作用，植物体内约有80%的铁储存于叶绿体内，在缺铁条件下，叶绿素含量会减少。下列叙述正确的是(C) A. 光合作用的光反应发生在叶绿体外膜和类囊体薄膜上 B. 缺铁时叶绿素含量减少说明铁是合成叶绿素的元素 C. 铁为微量元素，但对细胞的正常生命活动至关重要 D. 在铁充足时，光反应产生的ATP可用于CO2固定 【解析】光合作用的光反应发生在叶绿体类囊体薄膜上，不在叶绿体外膜，A错误；叶绿素的元素组成包括C、H、O、N、Mg等，不含Fe，B错误；铁为微量元素，在细胞中含量较少，但对细胞的正常生命活动至关重要，C正确；在铁充足时，光反应产生的ATP可用于暗反应中C3的还原，CO2固定不消耗能量，D错误。 变式 (2023·湖北卷)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体，PSⅡ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ，通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是(C) A．叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强 B．Mg2＋含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱 C．弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，不利于对光能的捕获 D．PSⅡ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2 【解析】叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，LHCⅡ与PSⅡ分离减少，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强，A正确；Mg2＋是叶绿素的组成成分，其含量减少会导致PSⅡ光复合体上的叶绿素含量减少，导致对光能的捕获减弱，B正确；弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，增强对光能的捕获，C错误；PSⅡ光复合体能吸收光能，并分解水，水的光解产生H＋、电子和O2，D正确。 考向2　条件骤变时光合作用中相关物质含量变化 例2 (2025·宿迁一调)如图表示某植物叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势，该植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下，Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度或者降低CO2浓度中的某一项。下列分析正确的是(D) A. 图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATP B. 图中Ⅱ阶段所改变的环境条件是降低了光照强度 C. 图中Ⅱ阶段甲上升是因为叶绿体中NADPH和ATP的积累 D. 图中Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低 【解析】因为暗反应中1 mol C5和1 mol CO2可生成2 mol C3，所以在适宜条件下，叶肉细胞内C3是C5的2倍，因此图中甲是C5，乙是C3。图中物质甲与二氧化碳结合形成乙C3，该过程只需要酶的催化，不需要消耗光反应提供的ATP和NADPH，A错误；植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下，如果Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度，则ATP和NADPH产生量减少，那么C3增加，C5减少，与图形的走势不符合，B错误；图中Ⅱ阶段甲上升，乙下降，则改变的条件可能是降低CO2浓度，进而导致C5消耗减少而表现为含量上升，同时C3生成减少而表现为含量下降，此时叶绿体中NADPH和ATP的积累是CO2浓度降低导致的结果，C错误；由以上分析可知，Ⅱ阶段的变化是由二氧化碳浓度下降导致的，所以Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低，D正确。  深 度 指 津 (1)环境条件改变时“来源—去路”法判断光合作用各物质含量的变化 (2)连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析 A组光合效率：100%；原理：其全时段均进行光反应与暗反应。 B组光暗交替频度较高，单位时间有机物合成量较全光照时高(其所用光照时间仅为A组一半，但有机物合成量却远高于一半)，表明在其全时段，暗反应几乎未停止。 ①光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。 ②在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。 大题考向1　生化反应新情境 情 境 剖 析 材料1 光呼吸 催化CO2固定的Rubisco是一种双功能酶，同时具有羧化和加氧两种功能。光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸，其过程如图1所示： 图1 光呼吸是在光照和高氧、低二氧化碳情况下发生的一个生化过程，它是光合作用一个损耗能量的副反应，但其存在还是具有一定的生理意义。 (1)图2中催化②③过程的为同一种酶(Rubisco)，低氧、高二氧化碳条件下，该酶主要催化②(填编号)过程发生；在高氧、低二氧化碳的条件下，则主要催化③(填编号)过程发生。 图2 (2)甘油酸进入叶绿体中可以转变为C3，参与卡尔文循环。叶肉细胞在高氧环境中，其线粒体产生的CO2可来自有氧呼吸、光呼吸(填生理过程)。 (3)光呼吸会消耗能量，降低净光合效率，但在进化过程中得以长期保留，其对植物的意义是光呼吸可消耗光反应积累的ATP和NADPH，减少光反应产物积累造成的损伤，且补充部分CO2，还能通过C2循环回收部分碳元素，避免损失过多。 (4)下列因素中，在一定范围内与光呼吸强度呈正相关的因素有ACDE。 A. O2浓度　　　　 B． CO2浓度 C. 光照强度 D． 温度 E. 干旱程度 新视野 光抑制 植物的光合系统所接受的光能超过光合作用所能利用的量时，光合功能便降低，这就是光合作用的光抑制。 (1)光抑制机理：光合系统的破坏，PSⅡ是光破坏的主要场所。发生光破坏后的结果：电子传递受阻，光合效率下降。 (2)光抑制的主要防御机制 ①减少光吸收：植物体也可以通过叶运动(减少叶片与主茎的夹角)或叶绿体运动这种对强光的快速响应以减少对光的吸收，从而避免光抑制。 ②增加热耗散：a.当依赖能量的叶绿素荧光猝灭增加时，通过增加激发能的热耗散可以部分避免光抑制。降低光饱和条件下的PSⅡ的光化学效率，可以避免光抑制破坏的发生。b.在强光下非光辐射能量耗散增加的同时，玉米黄素含量增加，玉米黄素与激发态的叶绿素作用，从而耗散其激发能，保护光合机构免受过量光能破坏。 ③进行光呼吸：C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止强光和CO2亏缺条件下发生光抑制。 材料2 C3途径和C4途径 对于小麦、水稻等大多数绿色植物来说，进入叶肉细胞的CO2与C5反应，固定产生的第一个产物为C3。此类植物称为C3植物，其进行的固定途径称为C3途径。 对于玉米、高粱、甘蔗等生活在高光照、高温环境的植物来说，进入叶肉细胞的CO2首先与PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)反应，固定产生的第一个产物为C4(草酰乙酸)，进而进入维管束鞘细胞中分解产生CO2进入卡尔文循环。因而将此类植物称为C4植物，其进行的固定途径称为C4途径。如图所示： C4植物代谢示意图 C4植物的PEP羧化酶对CO2具有较强的亲和力强，起到“CO2泵”的作用，可在维管束鞘中产生CO2浓缩效应，大大提高了光合作用效率。当外界环境干旱(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)，导致植物气孔导度减小时，C4植物比C3植物有较强光合作用能力，并且无光合“午休”现象。该酶还改变了Rubisco的作用方向，使羧化大于加氧，使得C4植物的光呼吸消耗很少。 (1)C4植物叶肉细胞中的叶绿体有类囊体，能进行光反应，而维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，所以C4植物光反应发生在叶肉细胞的(叶绿体)类囊体薄膜上。 (2)C4植物光呼吸低的原因为PEP羧化酶活性较强，对CO2的亲和力强，使维管束鞘细胞CO2浓度高，在与O2竞争Rubisco中有优势，抑制光呼吸。 (3)为提高C3植物在高光照和高温条件下的光合效率，提出一条利用现代技术手段的措施：利用转基因技术将PEP酶基因等C4途径中的关键基因转入C3植物中。 材料3 景天酸代谢(CAM)途径 景天科植物在夜间，大气中CO2从气孔进入，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，与PEP结合形成草酰乙酸(OAA)，再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸，储存于液泡中。在白天，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2产生后用于卡尔文循环。景天科等植物的叶肉细胞有很大的液泡，具有两套羧化固定CO2的系统，通过酶活性的昼夜调节，使羧化反应与CO2再固定分别在夜间和白天完成。 (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。这类植物特别适合于干旱地区，其特点是气孔夜间开放，白天关闭。其叶肉细胞中能起到固定CO2作用的物质是PEP、C5。 (2)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。 (3)夜间景天科植物叶绿体中卡尔文循环不能(填“能”或“不能”)进行，这是因为没有光照，不能进行光反应，缺少暗反应所需的NADPH和ATP；白天，叶绿体中卡尔文循环能(填“能”或“不能”)进行，这是因为呼吸作用和苹果酸分解可以为暗反应提供CO2。 新视野 草酰乙酸/苹果酸穿梭系统 苹果酸穿梭系统又称苹果酸—草酰乙酸穿梭系统，细胞质基质中含有苹果酸脱氢酶，可催化草酰乙酸还原为苹果酸，后者可以进入线粒体基质。线粒体基质内则有另一种苹果酸脱氢酶，可催化进入的苹果酸脱氢形成草酰乙酸和NADH，于是细胞质基质内NADH上的还原氢便间接地被转运进入线粒体基质中。草酰乙酸则通过线粒体基质和细胞质基质内均含有的谷草转氨酶的作用，从线粒体基质返回到细胞质基质中。 典 题 体 验 命题1　光呼吸 例1 (2024·吉林卷节选)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/O2比值低时，C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题： 在叶绿体中：C5＋CO22C3① C5＋O2C3＋C2② 在线粒体中：2C2＋NAD＋C3＋CO2＋NADH＋H＋③ 注：C2表示不同种类的二碳化合物，C3也类似。 图1 (1)反应①是CO2的固定过程。 (2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是细胞质基质和线粒体基质。 (3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT)，得到转基因株系1和2，测定净光合速率，结果如图2、图3。图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自光呼吸和呼吸作用(填生理过程)。7～10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异，原因是7～10时，随着光照强度的增加，株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，净光合逆率较高。 据图3中的数据不能(填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率，理由是总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，呼吸速率为光照强度为0时二氧化碳的释放速率，图3的横坐标为二氧化碳的浓度，无法得出呼吸速率。 图2 图3 题图解读 图1中的①是光合作用暗反应中CO2的固定过程，图1中的②③是与光呼吸有关的化学反应。图2中的自变量是光照强度、植株的种类(野生型、转基因植株1和转基因植株2)，因变量是净光合速率。图3中的自变量是CO2浓度、植株的种类，因变量是净光合速率。 【解析】(1)在光合作用的暗反应过程中，CO2在特定酶的作用下，与C5结合形成两个C3，这个过程称作CO2的固定，故反应①是CO2的固定过程。(2)有氧呼吸的第一、二、三阶段的场所依次是细胞质基质、线粒体基质和线粒体内膜。有氧呼吸第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸和NADH，合成少量ATP；第二阶段是丙酮酸和水反应生成二氧化碳和NADH，合成少量ATP，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是细胞质基质、线粒体基质。(3)由图1可知，在线粒体中进行光呼吸的过程中，也会产生二氧化碳，因此植物光合作用CO2的来源除了外界环境外，还可来自光呼吸、呼吸作用。7～10时，随着光照强度的增加，株系1和2由于转入了改变光呼吸的相关基因，导致光呼吸速率降低，光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程，因此与WT相比，株系1和2的净光合速率较高。总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，呼吸速率为光照强度为0时二氧化碳的释放速率，图3的横坐标为二氧化碳的浓度，因此无法得出呼吸速率，故据图3中的数据不能计算出株系1的总光合速率。 例2 (2024·南通一调)光照过强时还原能的积累会导致自由基的产生，损伤膜结构。光呼吸(图中虚线所示)可促进草酰乙酸—苹果酸的穿梭，输出叶绿体和线粒体中过剩的还原能实现光保护，其中过程③是光呼吸速率的限制因素，线粒体中的电子传递链对该过程有促进作用，相关机制如图1。请回答下列问题： 图1 (1)图1中过程①进行的场所是叶绿体基质，叶绿体和线粒体中电子传递链分别位于类囊体薄膜、线粒体内膜。 (2)图1中叶绿体所示过程需要NADPH参与的有C3的还原(卡尔文循环，或碳的还原)、草酰乙酸转变为苹果酸(或形成苹果酸，或生成苹果酸)，过剩的NADPH通过草酰乙酸—苹果酸穿梭，在光呼吸的过程④(填序号)消耗。 (3)线粒体中的电子传递链促进过程③的机理是电子传递过程促进NADH向NAD＋转化，为过程③提供NAD＋等(或加快NADH的消耗等，合理即可)。 (4)线粒体电子传递链有细胞色素途径(CP)和交替氧化途径(AP)。CP途径有ATP的合成；AP途径无ATP的合成，能量以热能的形式散失。为了进一步研究不同环境条件对两条途径的影响，科研人员利用正常植株和aoxla突变体(AP功能缺陷)进行了相关实验，结果如图2。 图2 ①正常情况下，黑暗时电子传递链以CP途径为主。 ②光照过强时，光保护主要依赖于AP途径，而不是另一途径，从物质和能量变化的角度分析，其原因是AP途径能量以热能的形式散失，而CP途径受细胞内ADP和Pi等的限制。 ③温度与光保护机制的关系是温度较高时光保护机制加强，低温时光保护机制丧失(或下降)(或光保护机制发生在强光、高温条件下，低温条件下光保护机制减弱，甚至丧失)。 题图解读 图1中涉及三种细胞器：叶绿体、线粒体和过氧化物酶体。图中涉及三种生理过程：光合作用的光反应和暗反应、有氧呼吸的第二和第三阶段及光呼吸(图中虚线部分)。三种细胞器之间既有物质联系，又有能量联系，能量联系借助于草酰乙酸—苹果酸的穿梭系统。 【解析】(1)过程①是Rubisco催化C5加氧过程，根据Rubisco分布的场所可知，该过程发生在叶绿体基质。叶绿体中电子传递链伴随NADPH产生，线粒体中电子传递链伴随O2的消耗，说明叶绿体和线粒体中电子传递链分别位于类囊体薄膜和线粒体内膜。(2)据图可知，NADPH在叶绿体中参与草酰乙酸转化为苹果酸，同时根据光合作用的基本过程，其还参与C3的还原。图中虚线过程代表光呼吸过程，过剩的NADPH通过草酰乙酸—苹果酸穿梭，在光呼吸的过程④消耗。(3)甘氨酸转化为丝氨酸的过程是光呼吸的限速过程，该过程需要将能量转移到NADH中，因此受线粒体中NAD＋和NADH相互转化速度的限制，而电子传递链可以通过电子的传递将能量转移到ATP中或以热能的形式散失出去，加快甘氨酸转化为丝氨酸的过程。(4)据图2可知，以32 ℃为例，WT在黑暗条件下CP＋AP的总呼吸速率大约为2.2，而黑暗中WT的AP呼吸速率大约为0.7，因此正常情况下，黑暗中应该以CP途径为主。光照过强时，WT组的总呼吸中AP所占的比例高，光保护主要依赖AP途径。从物质和能量的角度分析，是因为AP途径能量以热能的形式散失，而CP途径受细胞内ADP和Pi的限制。据图可知，温度在32 ℃时，AP途径保护较明显，而温度下降时，AP的光保护机制降低，甚至丧失。 命题2　C4途径和CAM途径 例3 (2024·南京、盐城期末)景天科、仙人掌科等植物(CAM植物)夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放出CO2进入卡尔文循环，如下图所示。请回答下列问题： (1)夜间，来自外界环境和线粒体(或细胞呼吸)产生的CO2转化为HCO，在PEP羧化酶催化下直接与磷酸烯醇式丙酮酸(C3)结合生成Pi和草酰乙酸。 (2)白天，液泡中的苹果酸(C4)被运输到细胞质基质进行氧化脱羧，释放出的CO2直接进入叶绿体基质参与卡尔文循环，同时生成的磷酸丙糖则进入叶绿体生成淀粉，该生理变化将导致液泡的pH升高(填“升高”或“降低”)。 (3)叶肉细胞中能够同时进行多种化学反应，而不会互相干扰，从细胞结构角度分析，原因是细胞具有生物膜系统。 (4)玉米、甘蔗等C4植物叶肉细胞中CO2被固定到四碳化合物(C4)中，随后C4进入维管束鞘细胞中，释放出CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。由此可见，C4植物中的固定CO2和合成糖发生在同一时间，而空间错开。而CAM植物中固定CO2和合成糖的特点是发生在同一个细胞内(空间相同)，但时间错开。CAM植物的气孔在白天时关闭，夜间时打开，有利于适应干旱(缺水)环境。 (5)Rubisco是一种双功能酶，既能催化C5与CO2发生羧化反应固定CO2，又能催化C5与O2发生加氧反应进行光呼吸，其催化方向取决于CO2和O2相对浓度，从而导致光合效率下降。CAM植物可在夜晚吸收大量的CO2，转变为苹果酸储存在液泡中，在白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中CO2浓度升高，在与O2竞争Rubisco时有优势，因此有人认为CAM途径是景天科植物长期进化得到的一种可以抑制光呼吸的碳浓缩机制。 命题思路 生活在不同环境中的植物体，在长期的进化过程中，形成了与环境相适应的碳同化机制。C3途径是基础，C4途径和CAM途径蕴藏着独特的魅力。 【解析】(1)由题图可知，夜间来自外界环境和线粒体(或细胞呼吸)产生的CO2转化为HCO，在PEP羧化酶催化下直接与磷酸烯醇式丙酮酸(C3)结合生成Pi和草酰乙酸。(2)由题图可知，白天，液泡中的苹果酸(C4)被运输到细胞质基质进行氧化脱羧，释放出的CO2直接进入叶绿体基质参与卡尔文循环，同时生成的磷酸丙糖则进入叶绿体生成淀粉，该生理变化将导致液泡中苹果酸减少，pH升高。(3)细胞内的细胞膜、细胞器膜和核膜等共同构成生物膜系统。该系统能够使细胞内多种化学反应同时进行，而不会互相干扰。(4)根据题干中“CAM植物夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放出CO2进入卡尔文循环”，再结合题图可知，CAM植物中固定CO2和合成糖的特点是发生在同一个细胞内(空间相同)，但时间错开。CAM植物的气孔在白天时关闭，夜间时打开，有利于适应干旱(缺水)环境。(5)根据题干信息可知，CAM植物可在夜晚吸收大量的CO2，转变为苹果酸储存在液泡中，白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中CO2浓度升高，在与O2竞争Rubisco时有优势，从而抑制光呼吸。 第16讲　光合作用的原理 一、 单项选择题 1. (2024·淮安期末)希尔反应是在离体的叶绿体悬液(悬液中有H2O，没有CO2)中加入草酸铁，经过光照后发现，Fe3＋被还原为Fe2＋并释放出了氧气。下列叙述错误的是(C) A．一定程度证明了光合作用在叶绿体中进行 B．离体叶绿体在适当条件下可发生水的光解、氧气的释放 C．希尔反应中的Fe3＋与光合作用中的NADPH的作用相同 D．可用差速离心法获取叶绿体 【解析】希尔反应悬浮液中铁盐的作用与NADP＋的作用相似，都具有氧化剂的作用，C错误。 2. (2024·南通期末)下列关于探索光合作用原理的部分实验的叙述，错误的是(A) A．希尔发现，在离体叶绿体悬浮液中加入铁盐，在黑暗中可以释放出O2 B．鲁宾和卡门利用同位素示踪技术，证明了光合作用产物O2来源于H2O C．恩格尔曼的实验证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧 D．卡尔文等用14C标记CO2，探明了CO2中的碳如何转变为有机物中的碳 【解析】希尔发现在离体的叶绿体悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂，在光照下可以释放出氧气，该实验被后人称为希尔反应，A错误；鲁宾和卡门用同位素示踪法(用18O标记水或二氧化碳)证明了光合作用中氧气全部来自水，B正确；恩格尔曼采用水绵、好氧细菌和极细光束进行对照实验，发现光合作用的场所是叶绿体，C正确；卡尔文采用同位素标记法(用14C标记的CO2供小球藻进行光合作用)，探明了CO2的固定过程中碳元素的转移途径，即CO2中的碳如何转变为糖，D正确。 3. (2024·苏州高新区一中)研究者利用密闭的装置在适宜的光照、温度和pH等条件下，进行了如下实验(初始悬浮液中无CO2，草酸铁是一种氧化剂)。相关叙述错误的是(D) 实验组别 ① ② ③ ④ 实验材料 小球藻 悬浮液 叶绿体 悬浮液 叶绿体 悬浮液 叶绿体 悬浮液 提供的物质 H2O、CO2 H2O、CO2 H2O H2O、草酸铁 是否产生O2 是 是 否 是 A．③组不产生O2可能是因为其叶绿体中缺乏氧化剂 B．④组与②组对照，说明叶绿体产生O2不一定需要CO2 C．①组与②组对照，说明小球藻光合作用产生O2的场所是叶绿体 D．②组与③组对照，说明叶绿体产生的O2来源于CO2 【解析】比较③④组，③组不含有氧化剂——草酸铁，无CO2的产生，可推测③组不产生O2可能是因为其叶绿体中缺乏氧化剂，A正确；④组与②组对照，④组无CO2，说明叶绿体产生O2不一定需要CO2，B正确；①组与②组对照，①组的实验材料为小球藻悬浮液，②组的实验材料为叶绿体悬浮液，两组均进行光合作用，有O2的产生，说明小球藻光合作用产生O2的场所是叶绿体，C正确；②组与③组对照，③组无CO2，没有进行光合作用产生O2，说明叶绿体进行光合作用产生O2的条件必须含有CO2，不能说明叶绿体产生的O2来源于CO2，D错误。 4. (2025·徐州期初)莱茵衣藻的无氧发酵独立发生在细胞质基质、线粒体和叶绿体中。研究表明，在弱光及黑暗条件下莱茵衣藻会逐渐积累H＋，导致叶绿体类囊体腔酸化，进而抑制光合作用，且类囊体腔的酸化程度与无氧发酵产生的弱酸积累量呈正相关，而无氧发酵不产生弱酸的突变体则不会发生类囊体腔酸化现象。下列说法正确的是(D) A．莱茵衣藻细胞中产生NADH的场所是细胞质基质和线粒体 B．黑暗条件下莱茵衣藻细胞质基质内的pH低于类囊体腔 C．有氧呼吸产生的CO2会加剧类囊体腔酸化 D．类囊体腔酸化可能导致光反应生成的NADPH和ATP减少 【解析】莱茵衣藻的无氧发酵独立发生在细胞质基质、线粒体和叶绿体中，无氧发酵会产生NADH，所以莱茵衣藻细胞中产生NADH的场所是细胞质基质、叶绿体和线粒体，A错误；在弱光及黑暗条件下莱茵衣藻会逐渐积累H＋，导致叶绿体类囊体腔酸化，所以黑暗条件下莱茵衣藻细胞质基质内的pH高于类囊体腔，B错误；类囊体腔的酸化程度与无氧发酵产生的弱酸积累量呈正相关，所以有氧呼吸产生的CO2会降低类囊体腔酸化，C错误；在弱光及黑暗条件下莱茵衣藻会逐渐积累H＋，导致叶绿体类囊体腔酸化，进而抑制光合作用，所以类囊体腔酸化可能导致光反应生成的NADPH和ATP减少，D正确。 5. (2024·苏南八校联考)科学家往小球藻培养液中通入14CO2后，分别给予小球藻不同时间的光照后检测放射性物质的分布情况，结果如表所示。根据上述实验结果分析，下列叙述错误的是(C) 实验组别 光照时间/s 放射性物质分布 1 2 大量3－磷酸甘油酸(三碳化合物) 2 20 多种磷酸化糖类 3 60 除上述多种磷酸化糖类外，还有氨基酸、有机酸等 A．本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段 B．每组实验照光后需对小球藻进行处理使酶失活，才能测定放射性物质的分布 C．CO2进入叶绿体后，最初形成的主要物质是多种磷酸化糖类 D．实验结果说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等 【解析】本实验检测“三碳化合物”“磷酸化糖类”“氨基酸、有机酸等”的放射性，可推测本实验研究的是光合作用的暗反应阶段， A 正确；由于某一反应的产物同时是下一个反应的反应物，要想准确测定放射性物质分布，必须阻断后续的反应，即每组实验照光后需对小球藻进行处理，使酶失活，B 正确；CO2进入叶绿体后，2s后在三碳化合物中检测到放射性，说明最初形成的产物应该是三碳化合物， C 错误；第三组实验中放射性物质分布在氨基酸、有机酸等物质中，表明光合作用产物中不仅有糖类，还有氨基酸、有机酸等， D 正确。 6. (2024·宿迁期末)如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解，其中A、B、C、D表示四种化合物，a、b表示两个生理过程，下列叙述错误的是(B) A．突然增加CO2浓度，叶肉细胞内化合物A将会减少 B．突然增强光照，叶肉细胞内化合物B将增加 C．化合物C有较强的还原性 D．化合物D是储存着能量的有机物 【解析】A表示C5，突然增加CO2浓度，CO2的固定加快，消耗的C5增多，但短时间内C3还原不变，产生C5的速率不变，故叶肉细胞内化合物A将会减少，A正确；B表示C3，突然增强光照，光反应加快，C3的还原过程加快，短时间内C3的来源不变，最终导致C3的含量减少，B错误；化合物C表示NADPH，具有较强的还原性，C正确；化合物D为糖类，是储存着能量的有机物，D正确。 7. (2024·盐城期末)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如下图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。下列说法错误的是(A) A．该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是模块1 B．模块3为模块2提供的物质有ADP、Pi和NADP＋等 C．在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量更高 D．人工光合作用系统在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景 【解析】叶绿体通过光合作用光反应将光能转化成ATP、NADPH中的化学能，据图可知，模块1将光能转化为电能，模块2将电能转化为化学能，两个模块加起来相当于叶绿体中光反应的功能，A错误；模块2中实现电能与ATP、NADPH中化学能的转换，合成ATP、NADPH需要消耗ADP、Pi和NADP＋等物质，因此，模块3为模块2提供的物质有ADP、Pi和NADP＋等，B正确；由于该人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类，故在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量更高，C正确；人工光合作用系统对环境中水的依赖程度较低，在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景，D正确。 8. (2024·仪征中学)我国科学家在实验室中实现了从CO2到淀粉分子的全合成，过程简图如下。经核磁共振等检测显示，该人工合成的淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。下列相关说法正确的是(C) A．图中H2的作用类似于叶绿体中的NADH B．在固定等量CO2的情况下，与自然绿色植物相比，人工合成过程的淀粉积累量较少 C．植物体内类似CO2转化为C6中间体进而转化为淀粉的过程，往往发生在叶绿体基质中 D．“C6中间体”如果被植物根细胞利用，在有氧或无氧条件下氧化分解时，在细胞质基质中合成ATP的量不同 【解析】叶绿体光合作用过程中，水光解释放出的H＋结合氧化型辅酶Ⅱ(NADP＋)形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)，A错误；人工合成淀粉不涉及呼吸消耗，所以在固定等量CO2的情况下，人工合成过程的淀粉积累量更多，B错误；类似CO2转化为C6中间体进而转化为淀粉的过程，在植物光合作用过程中发生在暗反应中，场所为叶绿体基质，C正确；光合作用产生的糖类参与有氧呼吸或无氧呼吸的反应时，在细胞质基质中均进行第一阶段释放少量能量，产生的ATP量相同，D错误。 9. (2024·徐州模拟)拟南芥的叶肉细胞中，含有的PSⅡ和PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物，具有吸收、传递、转化光能的作用，下列叙述错误的是(C) A．PSⅡ中的色素吸收光能后，可将H2O分解为O2和H＋，并产生电子传递给PSⅠ用于将NADP＋和H＋结合形成NADPH B．图示显示的能量转换是：光能→电能→ATP和NADPH中的化学能 C．在ATP合成酶的作用下，H＋顺浓度梯度转运提供分子势能，促进ADP和Pi合成ATP D．自然界中能发生光合作用的生物，不一定具备PSⅡ和PSⅠ 【解析】图中显示，PSⅡ中的色素吸收光能后，可将H2O分解为O2、H＋和电子，产生的电子传递给PSⅠ，用于将NADP＋和H＋结合形成NADPH，A正确； 图中显示，光反应过程实现了由光能转换为电能，再由电能转化为ATP和NADPH中的化学能，B正确；由图可知，在ATP合成酶的作用下，H＋顺浓度梯度转运出类囊体，该过程提供的电化学势能促进了ADP和Pi合成ATP，C错误；分析题图可知，PSⅡ和PSⅠ都分布在叶绿体的类囊体薄膜上，自然界中能发生光合作用的生物不一定有叶绿体，因此不一定具备PSⅡ和PSⅠ，但一定具有光合色素，如蓝细菌，D正确。 10. (2024·淮安六校段考)叶片光合产物的产生、输出和转化是植物生命活动的重要组成部分，相关过程如图。下列叙述错误的是(B) A．磷酸丙糖(TP)有3个去向，用于合成蔗糖、淀粉和C5 B．若细胞质基质中Pi浓度很低，给予正常光照和饱和CO2，则淀粉的合成会减少 C．若磷酸丙糖转运器活性受抑制，会导致光合速率下降 D．在小麦灌浆期增施磷肥，有利于小麦的生长和提高产量 【解析】结合图示可知，TP有3个去向，用于合成蔗糖、淀粉和C5，A正确；若细胞质基质中Pi浓度很低，给予正常光照和饱和CO2，则有利于磷酸丙糖更多脱去磷酸合成淀粉，据此可推测，淀粉的合成会增多，B错误；若磷酸丙糖转运器活性受抑制，会导致磷酸丙糖滞留在叶绿体基质中，导致叶绿体中光合产物积累，因而光合速率下降，C正确；在小麦灌浆期增施磷肥，能促进光合产物的转运过程，进而有利于小麦的光合作用，促进小麦的生长和提高产量，D正确。 11. (2024·徐州期末)植入“生物电池”可使动物借助光合作用修复因能量不足而受损的细胞。科研人员利用菠菜叶肉细胞中的类囊体制成纳米类囊体(NTU)，将其注入小鼠软骨受损的部位，治疗小鼠的骨关节炎，相关机制如图。下列说法错误的是(C) A．NTU膜上含有光合色素和有关的酶，能通过光反应合成ATP和NADPH B．光照条件下，图中受损的小鼠软骨细胞内的ATP可来自线粒体和NTU C．NTU产生的NADPH可以进入线粒体，在线粒体内膜上与O2结合生成水 D．此研究说明植物光反应固定的能量可直接用于动物细胞生命活动 【解析】NTU是由菠菜叶肉细胞中的类囊体制成的，类囊体膜上含有光合色素和光反应相关的酶等，能通过光反应合成ATP和NADPH，A正确；光照条件下，NTU中会合成ATP，线粒体作为细胞中的“动力车间”，也能提供细胞代谢所需要的ATP，由此可知，图中受损的小鼠软骨细胞内的ATP可来自线粒体和NTU，B正确；NTU产生的NADPH不可以进入线粒体与O2结合生成水，在线粒体内膜上与O2结合生成水的是NADH，C错误；此研究说明植物光合作用的光反应过程中固定的能量在一定情况下可直接用于动物细胞生命活动，D正确。 二、 多项选择题 12. (2024·盐城四校期末)光合作用的原理是很多科学家通过实验发现的，光合作用探索历程中的部分经典实验的分析及拓展如图1、2所示。下列相关叙述正确的有(BD) 图1 图2 A．图1所示实验的目的是探究光合产物中O2的来源，其中乙组为对照组 B．卡尔文探究暗反应的过程与图1所示的实验均采用了同位素标记法 C．图2所示实验中好氧细菌主要分布于接受光照的水绵细胞各个部位 D．图2所示实验需要把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中 【解析】图1甲组提供H2O和C18O2，释放的是O2，乙组向植物提供HO和CO2，释放的是18O2，两组形成相互对照，两组都为实验组，A错误；卡尔文采用同位素标记法探明了CO2的固定过程中碳元素的转移途径，图1所示的实验也采用了同位素标记法，探明了光合作用过程中氧气的来源，B正确；图2所示实验中好氧细菌主要分布于水绵细胞中接受光照的叶绿体部位，进而证明了叶绿体是产生氧气的部位，C错误；图2所示实验需要把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，然后才能根据好氧菌的移动监测氧气产生的部位，D正确。 13. (2024·宿迁一模)如图是光合作用过程示意图(字母代表物质)，PSBS是一种类囊体膜蛋白，能感应类囊体腔内H＋的浓度而被激活，激活的PSBS抑制电子在类囊体膜上的传递，最终将过量的光能转换成热能释放，防止强光对植物细胞造成损伤。下列说法正确的有(ABD) A．H＋经过Z蛋白外流的同时，利用B物质来合成C物质 B．叶绿素分子中被光激发的e－，经传递到达D结合H＋后生成E C．物质F浓度降低至原浓度一半时，短时间内C5化合物的含量将降低 D．降低Z蛋白的活性和阻断卡尔文循环中F的供应都将有利于PSBS发挥功能 【解析】由图可知，C、E可用于C3的还原，故E是NADPH，B是ADP和Pi，C是ATP。当H＋顺浓度梯度经过Z蛋白运输时，利用化学势能将ADP和Pi转化为ATP，即B物质被用来合成了C物质，A正确；叶绿素分子中被光激发的电子经传递到达D(NADP＋)，同时结合H＋合成E，即NADPH，B正确；物质F是CO2，浓度降低至原浓度一半时，短时间内CO2的固定速率降低，但C3的还原速率不变，故C5化合物的含量将升高，C错误；由题意可知，降低Z蛋白的活性会减少H＋向外运输，阻断卡尔文循环中F的供应会导致暗反应减弱，进而抑制光反应ATP和NADPH的合成，由于Z蛋白的活性与ATP合成有关，因此ATP合成减少也会导致H＋外运减少，因此都将有利于PSBS发挥功能，D正确。 14. (2024·南通期末)如图为卡尔文循环主要过程示意图，相关叙述正确的有(ABD) A．卡尔文循环发生在叶绿体基质中，需要多种酶的参与 B．过程b表示三碳化合物的还原，该过程和再生过程均需要ATP供能 C．突然升高CO2的浓度，短时间内a的量增大，3－磷酸甘油酸的量减少 D．卡尔文循环将ATP和NADPH中的能量传递到磷酸丙糖等有机物中 【解析】叶肉细胞中的卡尔文循环即碳循环发生在叶绿体基质，包括多个反应，故需要多种酶的参与，A正确；分析题图，过程b表示三碳化合物的还原，该过程和再生过程均需要ATP水解供能，B正确；突然升高CO2的浓度，CO2和a羧化成3－磷酸甘油酸的速率加快，故短时间内a的量减少，3－磷酸甘油酸的量增加，C错误。 三、 非选择题 15. (2024·湖南卷节选)钾是植物生长发育的必需元素，主要生理功能包括参与酶活性调节、渗透调节以及促进光合产物的运输和转化等。研究表明，缺钾导致某种植物的气孔导度下降，使CO2通过气孔的阻力增大；Rubisco的羧化酶(催化CO2的固定反应)活性下降，最终导致净光合速率下降。回答下列问题： (1)从物质和能量转化角度分析，叶绿体的光合作用即在光能驱动下，水分解产生O2和H＋；光能转化为电能，再转化为ATP和NADPH中储存的化学能，用于暗反应的过程。 (2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量减少，从叶绿素的合成角度分析，原因是缺钾会使叶绿素合成相关酶的活性降低；缺钾会影响细胞的渗透调节，进而影响细胞对Mg、N等的吸收，使叶绿素合成减少(答出两点即可)。 【解析】(1)植物光反应过程中水的光解会产生O2和H＋，H＋和NADP＋结合产生NADPH。该过程中光能转化为电能，电能再转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。(2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量降低，其原因是钾参与酶活性的调节，缺钾会降低叶绿素合成相关酶的活性；钾参与渗透调节，缺钾会影响细胞渗透压，进而影响细胞对Mg、N等的吸收，而Mg和N是合成叶绿素的原料，因此最终会影响叶绿素的合成。 16. (2024·苏州期末)有研究者从菠菜中分离出类囊体膜，将其与16种酶(类似卡尔文循环中的酶)一起包裹在油包水滴中，构建出如图1所示的人工光合系统，其中a、b代表结构。请回答下列问题： 图1 (1)该人工光合系统须包裹在油包水滴中，这与磷脂分子一端(或头部)亲水、一端(或尾部)疏水的特点有关。 (2)人工光合系统经照光后顺利合成出有机物，证明该系统能进行光合作用，其中光反应发生在结构a(填字母)。过程c类似光合作用中的C3的还原(填具体生理过程)，此过程中NADPH的作用有提供能量、作还原剂(2分)。与叶肉细胞相比，该系统可积累更多的有机物，原因有不进行细胞呼吸消耗有机物，合成的有机物不运输出该系统，不需要用于自身组分的构建(2分)。 (3)结构a中的叶绿素含量可通过实验测定：先用有机溶剂提取色素，然后将提取到的色素溶液置于红光(填“红光”“蓝紫光”或“白光”)下测定吸光度。使用该种光源的原因是叶绿素能吸收红光，类胡萝卜素不吸收红光；用红光检测可排除类胡萝卜素对结果的干扰(2分)。 (4)为进一步探究光合作用过程中CO2转化为有机物的具体途径，科学家通过构建下图2所示装置进行研究，实验步骤见下表。 图2 操作步骤 实验目的 黑暗条件下向单细胞藻类提供14CO2 追踪放射性碳元素去向 整个装置置于摇床以一定速率振荡 将仪器中物质充分混匀 使用冷光灯照射 防止①水温改变影响实验结果 每隔5 s将一些细胞排入热酒精中固定 ②杀死细胞(或使酶失活)，停止(光合)反应(或代谢) 固定后的藻细胞制成匀浆， 利用放射自显影等技术获得图3所示图谱(斑点是含有放射性的化合物) 揭示不同化合物出现的时间顺序 据图3分析：CO2转化为有机物的途径中，化合物X、Y、Z形成的先后顺序是X、Y、Z。 图3 【解析】 (1)人工光合系统必须包裹在油包水滴中，这与磷脂分子头部具有亲水性，尾部具有疏水性有关。(2)分析题图可知，a模拟的是类囊体薄膜，是光反应发生的场所。一种有机物经过程c转化为另一种有机物，且需要NADPH，过程c类似光合作用中C3的还原，其中NADPH的作用是作为还原剂并提供能量。与叶肉细胞相比，该系统可积累更多的有机物，因为该系统不进行细胞呼吸消耗，合成的有机物不运输出该系统，不需要用于自身组分的构建等。(3)由于叶绿素能吸收红光，类胡萝卜素不吸收红光，所以用红光检测可排除类胡萝卜素对结果的干扰。(4)实验过程中，使用冷光灯照射，以防止水温改变影响实验结果；还要每隔5 s将一些细胞排入热酒精中固定，以使酶失活，停止光合作用。分析题图3可知，斑点X先出现，随后是斑点Y，最后才出现斑点Z，已知斑点是含有放射性的化合物，故CO2转化为有机物的途径中，化合物X、Y、Z形成的先后顺序是X、Y、Z。 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第16讲　光合作用的原理 【课标要求】 说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转化并储存为糖分子中的化学能。 考点1　对光合作用的探究历程 考 点 透 析 1. 探究光合作用原理的部分实验 2. 光合作用经典实验中的对照和变量的分析 经典实验 变量分析 自变量相关设置 因变量观察指标 无关变量 恩格尔曼水绵和好氧细菌实验 对照组：完全暴露在光下； 实验组：黑暗环境下极细光束照射 好氧细菌分布情况 水绵与好氧细菌的临时装片处于密闭环境中 恩格尔曼三棱镜照射水绵和好氧细菌实验 对照组：正常光源照射； 实验组：黑暗环境下光线经三棱镜后照射 鲁宾和卡门的18O标记实验 实验组中，一组为植物提供H2O和C18O2，另一组为植物提供HO和CO2 小球藻释放O2的相对分子质量情况(质谱仪测量反应氧中同位素比值) 光照、温度、实验材料的新鲜程度等 卡尔文14C标记实验 实验时间(用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，实验进行不同时间后，追踪检测小球藻叶绿体中含有放射性的物质和种类) 小球藻叶绿体中含有放射性的物质和种类 光照、温度、实验材料的新鲜程度、检测时间的选择等 思辨小练 1. 判断下列说法的正误： (1)萨克斯将暗处理过的叶片部分遮光后放在光下，然后用碘蒸汽检测发现曝光部分叶片呈蓝色，说明光合产物有淀粉。( ) (2)鲁宾和卡门运用放射性同位素标记法，得出O2来自H2O的分解。( ) (3)希尔的实验只研究了水的光解，不能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。( ) 2. 下面是验证叶绿体功能实验中恩格尔曼所做的实验示意图，请分析： (1)恩格尔曼实验要在没有空气的黑暗环境中进行，原因是什么？ (2)在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？ 典 题 说 法 考向　探究光合作用的经典实验 例 (2024·常州期末)某同学利用醋酸杆菌和普通载玻片重复恩格尔曼实验，对装片进行12 h的暗处理后给予全光照，实验结果如图所示。下列相关叙述正确的是( ) A. 醋酸杆菌对氧气不敏感，需要更换需氧菌进行实验 B. 不断增大培养液中醋酸杆菌密度，实验现象越明显 C. 为方便观察，最好将普通载玻片换成单凹面载玻片 D. 进行本实验时，无需考虑醋酸杆菌培养液的浓度 考点2　光合作用的原理 考 点 透 析 知识1　光合作用的概念 1. 光合作用指绿色植物通过 ，利用光能，把 转化成储存着能量的有机物，并且释放出 的过程。 2. 总反应式： 。  深 度 指 津 光合作用和化能合成作用的比较 项目 光合作用 化能合成作用 区别 能量来源 代表生物 绿色植物 相同点 都能将 等无机物合成为有机物；都是自养生物 知识2　光合作用的过程 1. 光合作用包括光反应阶段和暗反应(碳反应)阶段。在光反应阶段，在类囊体薄膜上发生了水的光解以及ATP、NADPH等物质的合成；在暗反应阶段，CO2经过一系列反应，生成了糖类等有机物。 2. 光反应和暗反应的区别和联系 过程 光反应 暗反应 条件 必须有光 有光、无光都能进行(但若光反应停止，暗反应只能持续一小段时间) 场所 物质 转化 ①水的光解： 2H2O4H＋＋O2＋4e－ ②NADPH的合成：NADP＋＋H＋＋2e－NADPH ③ATP的合成：ADP＋Pi＋能量ATP ①CO2固定： C5＋CO22C3 ②C3的还原： 能量 转化 光能→ →有机物中的化学能 联系 光反应为暗反应提供ATP和NADPH，NADPH既可作还原剂，又可提供能量。暗反应为光反应提供ADP、Pi以及NADP＋(注意产生位置和移动方向) 新视野 光合磷酸化、卡尔文循环与光合产物的输出 1. 在光反应过程中，伴随着电子传递及光合磷酸化 (1)光系统Ⅱ进行水的光解，产生氧气、H＋和自由电子(e－)，电子(e－)经过电子传递链传递，最终介导NADPH的产生。 (2)电子传递过程中释放能量，利用这部分能量将质子(H＋)逆浓度从类囊体的基质侧泵入囊腔侧，从而建立了质子浓度(电化学)梯度。光系统Ⅱ通过在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生质子(H＋)以及在类囊体的基质侧H＋和NADP＋形成NADPH的过程，建立质子浓度(电化学)梯度。 (3)类囊体膜对质子是高度不通透的，因此，类囊体内的高浓度质子只能通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子顺浓度流出的能量来合成ATP。 2. 暗反应与卡尔文循环 美国科学家卡尔文运用放射性同位素标记法，搞清了暗反应阶段的大致反应过程，俗称卡尔文循环。主要包括CO2固定阶段(羧化反应)、C3还原阶段以及C5的再生阶段的一系列化学反应。如下图所示。 3. 光合产物及运输 (1)磷酸丙糖是光合作用中最先产生的糖，也是光合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。 (2)光合作用产生的磷酸丙糖既可以在叶绿体中形成淀粉，暂时储存在叶绿体中，又可以通过叶绿体膜上的磷酸转运器运出叶绿体，在细胞质基质中合成蔗糖。合成的蔗糖或临时储藏于液泡内，或从光合细胞中输出，经韧皮部装载长距离运输到其他部位。 思辨小练 1. 判断下列说法的正误： (1)光反应产生的ATP只用于暗反应。( ) (2)叶绿体中的ATP全部源自光反应。( ) (3)离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后，可完成暗反应过程。( ) 2. 光合作用中元素的转移途径 H：3H2ONADPH中的3H 。 C：14CO2 。 O：HO ；C18O2 。 3. 光照停止后暗反应短时间仍然能够持续，但无法长时间正常进行，原因是什么？CO2不足，暗反应减弱后光反应也无法正常进行，原因是什么？ 典 题 说 法 考向1　光合作用的过程 例1 (2025·盐城八校联考)植物中许多含铁化合物都参与了光合作用，植物体内约有80%的铁储存于叶绿体内，在缺铁条件下，叶绿素含量会减少。下列叙述正确的是( ) A. 光合作用的光反应发生在叶绿体外膜和类囊体薄膜上 B. 缺铁时叶绿素含量减少说明铁是合成叶绿素的元素 C. 铁为微量元素，但对细胞的正常生命活动至关重要 D. 在铁充足时，光反应产生的ATP可用于CO2固定 变式 (2023·湖北卷)植物光合作用的光反应依赖类囊体膜上PSⅠ和PSⅡ光复合体，PSⅡ光复合体含有光合色素，能吸收光能，并分解水。研究发现，PSⅡ光复合体上的蛋白质LHCⅡ，通过与PSⅡ结合或分离来增强或减弱对光能的捕获(如图所示)。LHCⅡ与PSⅡ的分离依赖LHC蛋白激酶的催化。下列叙述错误的是( ) A．叶肉细胞内LHC蛋白激酶活性下降，PSⅡ光复合体对光能的捕获增强 B．Mg2＋含量减少会导致PSⅡ光复合体对光能的捕获减弱 C．弱光下LHCⅡ与PSⅡ结合，不利于对光能的捕获 D．PSⅡ光复合体分解水可以产生H＋、电子和O2 考向2　条件骤变时光合作用中相关物质含量变化 例2 (2025·宿迁一调)如图表示某植物叶片暗反应中C3和C5微摩尔浓度的变化趋势，该植物在Ⅰ阶段处于适宜环境条件下，Ⅱ阶段改变的环境条件是降低光照强度或者降低CO2浓度中的某一项。下列分析正确的是( ) A. 图中物质甲转变成乙需要消耗光反应提供的ATP B. 图中Ⅱ阶段所改变的环境条件是降低了光照强度 C. 图中Ⅱ阶段甲上升是因为叶绿体中NADPH和ATP的积累 D. 图中Ⅱ阶段光合速率最大时所需光照强度比Ⅰ阶段低  深 度 指 津 (1)环境条件改变时“来源—去路”法判断光合作用各物质含量的变化 (2)连续光照和间隔光照下的有机物合成量分析 A组光合效率：100%；原理：其全时段均进行光反应与暗反应。 B组光暗交替频度较高，单位时间有机物合成量较全光照时高(其所用光照时间仅为A组一半，但有机物合成量却远高于一半)，表明在其全时段，暗反应几乎未停止。 ①光反应为暗反应提供的NADPH和ATP在叶绿体基质中有少量的积累，在光反应停止时，暗反应仍可持续进行一段时间，有机物还能继续合成。 ②在总光照时间、总黑暗时间均相同的条件下，光照和黑暗间隔处理比一直连续光照处理有机物积累量要多。 大题考向1　生化反应新情境 情 境 剖 析 材料1 光呼吸 催化CO2固定的Rubisco是一种双功能酶，同时具有羧化和加氧两种功能。光照条件下，叶肉细胞中O2与CO2竞争性结合C5，O2与C5结合后经一系列反应释放CO2的过程称为光呼吸，其过程如图1所示： 图1 光呼吸是在光照和高氧、低二氧化碳情况下发生的一个生化过程，它是光合作用一个损耗能量的副反应，但其存在还是具有一定的生理意义。 (1)图2中催化②③过程的为同一种酶(Rubisco)，低氧、高二氧化碳条件下，该酶主要催化 (填编号)过程发生；在高氧、低二氧化碳的条件下，则主要催化 (填编号)过程发生。 图2 (2)甘油酸进入叶绿体中可以转变为C3，参与卡尔文循环。叶肉细胞在高氧环境中，其线粒体产生的CO2可来自 (填生理过程)。 (3)光呼吸会消耗能量，降低净光合效率，但在进化过程中得以长期保留，其对植物的意义是光呼吸可消耗光反应积累的 ，减少光反应产物积累造成的损伤，且补充部分CO2，还能通过C2循环回收部分 元素，避免损失过多。 (4)下列因素中，在一定范围内与光呼吸强度呈正相关的因素有 。 A. O2浓度　　　　 B． CO2浓度 C. 光照强度 D． 温度 E. 干旱程度 新视野 光抑制 植物的光合系统所接受的光能超过光合作用所能利用的量时，光合功能便降低，这就是光合作用的光抑制。 (1)光抑制机理：光合系统的破坏，PSⅡ是光破坏的主要场所。发生光破坏后的结果：电子传递受阻，光合效率下降。 (2)光抑制的主要防御机制 ①减少光吸收：植物体也可以通过叶运动(减少叶片与主茎的夹角)或叶绿体运动这种对强光的快速响应以减少对光的吸收，从而避免光抑制。 ②增加热耗散：a.当依赖能量的叶绿素荧光猝灭增加时，通过增加激发能的热耗散可以部分避免光抑制。降低光饱和条件下的PSⅡ的光化学效率，可以避免光抑制破坏的发生。b.在强光下非光辐射能量耗散增加的同时，玉米黄素含量增加，玉米黄素与激发态的叶绿素作用，从而耗散其激发能，保护光合机构免受过量光能破坏。 ③进行光呼吸：C3植物的光呼吸有很高的能量需求。光呼吸可以防止强光和CO2亏缺条件下发生光抑制。 材料2 C3途径和C4途径 对于小麦、水稻等大多数绿色植物来说，进入叶肉细胞的CO2与C5反应，固定产生的第一个产物为C3。此类植物称为C3植物，其进行的固定途径称为C3途径。 对于玉米、高粱、甘蔗等生活在高光照、高温环境的植物来说，进入叶肉细胞的CO2首先与PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)反应，固定产生的第一个产物为C4(草酰乙酸)，进而进入维管束鞘细胞中分解产生CO2进入卡尔文循环。因而将此类植物称为C4植物，其进行的固定途径称为C4途径。如图所示： C4植物代谢示意图 C4植物的PEP羧化酶对CO2具有较强的亲和力强，起到“CO2泵”的作用，可在维管束鞘中产生CO2浓缩效应，大大提高了光合作用效率。当外界环境干旱(特别是在高温、光照强烈、干旱条件下)，导致植物气孔导度减小时，C4植物比C3植物有较强光合作用能力，并且无光合“午休”现象。该酶还改变了Rubisco的作用方向，使羧化大于加氧，使得C4植物的光呼吸消耗很少。 (1)C4植物叶肉细胞中的叶绿体有类囊体，能进行光反应，而维管束鞘细胞中没有完整的叶绿体，所以C4植物光反应发生在叶肉细胞的 上。 (2)C4植物光呼吸低的原因为 。 (3)为提高C3植物在高光照和高温条件下的光合效率，提出一条利用现代技术手段的措施： 。 材料3 景天酸代谢(CAM)途径 景天科植物在夜间，大气中CO2从气孔进入，被磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶催化，与PEP结合形成草酰乙酸(OAA)，再经苹果酸脱氢酶作用还原为苹果酸，储存于液泡中。在白天，苹果酸从液泡中释放出来，经脱羧酶作用形成CO2和丙酮酸，CO2产生后用于卡尔文循环。景天科等植物的叶肉细胞有很大的液泡，具有两套羧化固定CO2的系统，通过酶活性的昼夜调节，使羧化反应与CO2再固定分别在夜间和白天完成。 (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。这类植物特别适合于干旱地区，其特点是气孔 。其叶肉细胞中能起到固定CO2作用的物质是 。 (2)该类植物叶肉细胞夜间淀粉减少，苹果酸增加，细胞液pH ；白天淀粉增加，苹果酸减少，细胞液pH 。 (3)夜间景天科植物叶绿体中卡尔文循环 (填“能”或“不能”)进行，这是因为 ；白天，叶绿体中卡尔文循环能(填“能”或“不能”)进行，这是因为 。 新视野 草酰乙酸/苹果酸穿梭系统 苹果酸穿梭系统又称苹果酸—草酰乙酸穿梭系统，细胞质基质中含有苹果酸脱氢酶，可催化草酰乙酸还原为苹果酸，后者可以进入线粒体基质。线粒体基质内则有另一种苹果酸脱氢酶，可催化进入的苹果酸脱氢形成草酰乙酸和NADH，于是细胞质基质内NADH上的还原氢便间接地被转运进入线粒体基质中。草酰乙酸则通过线粒体基质和细胞质基质内均含有的谷草转氨酶的作用，从线粒体基质返回到细胞质基质中。 典 题 体 验 命题1　光呼吸 例1 (2024·吉林卷节选)在光下叶绿体中的C5能与CO2反应形成C3；当CO2/O2比值低时，C5也能与O2反应形成C2等化合物。C2在叶绿体、过氧化物酶体和线粒体中经过一系列化学反应完成光呼吸过程。上述过程在叶绿体与线粒体中主要物质变化如图1。光呼吸将已经同化的碳释放，且整体上是消耗能量的过程。回答下列问题： 在叶绿体中：C5＋CO22C3① C5＋O2C3＋C2② 在线粒体中：2C2＋NAD＋C3＋CO2＋NADH＋H＋③ 注：C2表示不同种类的二碳化合物，C3也类似。 图1 (1)反应①是 过程。 (2)与光呼吸不同，以葡萄糖为反应物的有氧呼吸产生NADH的场所是 和 。 (3)我国科学家将改变光呼吸的相关基因转入某种农作物野生型植株(WT)，得到转基因株系1和2，测定净光合速率，结果如图2、图3。图2中植物光合作用CO2的来源除了有外界环境外，还可来自 (填生理过程)。7～10时株系1和2与WT净光合速率逐渐产生差异，原因是 。 据图3中的数据 (填“能”或“不能”)计算出株系1的总光合速率，理由是 。 图2 图3 题图解读 图1中的①是光合作用暗反应中CO2的固定过程，图1中的②③是与光呼吸有关的化学反应。图2中的自变量是光照强度、植株的种类(野生型、转基因植株1和转基因植株2)，因变量是净光合速率。图3中的自变量是CO2浓度、植株的种类，因变量是净光合速率。 例2 (2024·南通一调)光照过强时还原能的积累会导致自由基的产生，损伤膜结构。光呼吸(图中虚线所示)可促进草酰乙酸—苹果酸的穿梭，输出叶绿体和线粒体中过剩的还原能实现光保护，其中过程③是光呼吸速率的限制因素，线粒体中的电子传递链对该过程有促进作用，相关机制如图1。请回答下列问题： 图1 (1)图1中过程①进行的场所是 ，叶绿体和线粒体中电子传递链分别位于 、 。 (2)图1中叶绿体所示过程需要NADPH参与的有 、 ，过剩的NADPH通过草酰乙酸—苹果酸穿梭，在光呼吸的过程 (填序号)消耗。 (3)线粒体中的电子传递链促进过程③的机理是 。 (4)线粒体电子传递链有细胞色素途径(CP)和交替氧化途径(AP)。CP途径有ATP的合成；AP途径无ATP的合成，能量以热能的形式散失。为了进一步研究不同环境条件对两条途径的影响，科研人员利用正常植株和aoxla突变体(AP功能缺陷)进行了相关实验，结果如图2。 图2 ①正常情况下，黑暗时电子传递链以 途径为主。 ②光照过强时，光保护主要依赖于 途径，而不是另一途径，从物质和能量变化的角度分析，其原因是 。 ③温度与光保护机制的关系是 。 题图解读 图1中涉及三种细胞器：叶绿体、线粒体和过氧化物酶体。图中涉及三种生理过程：光合作用的光反应和暗反应、有氧呼吸的第二和第三阶段及光呼吸(图中虚线部分)。三种细胞器之间既有物质联系，又有能量联系，能量联系借助于草酰乙酸—苹果酸的穿梭系统。 命题2　C4途径和CAM途径 例3 (2024·南京、盐城期末)景天科、仙人掌科等植物(CAM植物)夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放出CO2进入卡尔文循环，如下图所示。请回答下列问题： (1)夜间，来自外界环境和 产生的CO2转化为HCO，在PEP羧化酶催化下直接与磷酸烯醇式丙酮酸(C3)结合生成 。 (2)白天，液泡中的苹果酸(C4)被运输到细胞质基质进行氧化脱羧，释放出的CO2直接进入 参与卡尔文循环，同时生成的 则进入叶绿体生成淀粉，该生理变化将导致液泡的pH (填“升高”或“降低”)。 (3)叶肉细胞中能够同时进行多种化学反应，而不会互相干扰，从细胞结构角度分析，原因是细胞具 有 系统。 (4)玉米、甘蔗等C4植物叶肉细胞中CO2被固定到四碳化合物(C4)中，随后C4进入维管束鞘细胞中，释放出CO2参与卡尔文循环，进而生成有机物。由此可见，C4植物中的固定CO2和合成糖发生在同一时间，而空间错开。而CAM植物中固定CO2和合成糖的特点是 。CAM植物的气孔在白天时关闭，夜间时打开，有利于适应 环境。 (5)Rubisco是一种双功能酶，既能催化C5与CO2发生羧化反应固定CO2，又能催化C5与O2发生加氧反应进行光呼吸，其催化方向取决于CO2和O2相对浓度，从而导致光合效率下降。CAM植物可在夜晚吸收大量的CO2，转变为苹果酸储存在液泡中，在白天苹果酸脱羧释放CO2，使得叶绿体中CO2浓度 ，在与O2竞争Rubisco时有优势，因此有人认为CAM途径是景天科植物长期进化得到的一种可以 光呼吸的碳浓缩机制。 命题思路 生活在不同环境中的植物体，在长期的进化过程中，形成了与环境相适应的碳同化机制。C3途径是基础，C4途径和CAM途径蕴藏着独特的魅力。 配套精练 第16讲　光合作用的原理 一、 单项选择题 1. (2024·淮安期末)希尔反应是在离体的叶绿体悬液(悬液中有H2O，没有CO2)中加入草酸铁，经过光照后发现，Fe3＋被还原为Fe2＋并释放出了氧气。下列叙述错误的是( ) A．一定程度证明了光合作用在叶绿体中进行 B．离体叶绿体在适当条件下可发生水的光解、氧气的释放 C．希尔反应中的Fe3＋与光合作用中的NADPH的作用相同 D．可用差速离心法获取叶绿体 2. (2024·南通期末)下列关于探索光合作用原理的部分实验的叙述，错误的是( ) A．希尔发现，在离体叶绿体悬浮液中加入铁盐，在黑暗中可以释放出O2 B．鲁宾和卡门利用同位素示踪技术，证明了光合作用产物O2来源于H2O C．恩格尔曼的实验证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧 D．卡尔文等用14C标记CO2，探明了CO2中的碳如何转变为有机物中的碳 3. (2024·苏州高新区一中)研究者利用密闭的装置在适宜的光照、温度和pH等条件下，进行了如下实验(初始悬浮液中无CO2，草酸铁是一种氧化剂)。相关叙述错误的是( ) 实验组别 ① ② ③ ④ 实验材料 小球藻 悬浮液 叶绿体 悬浮液 叶绿体 悬浮液 叶绿体 悬浮液 提供的物质 H2O、CO2 H2O、CO2 H2O H2O、草酸铁 是否产生O2 是 是 否 是 A．③组不产生O2可能是因为其叶绿体中缺乏氧化剂 B．④组与②组对照，说明叶绿体产生O2不一定需要CO2 C．①组与②组对照，说明小球藻光合作用产生O2的场所是叶绿体 D．②组与③组对照，说明叶绿体产生的O2来源于CO2 4. (2025·徐州期初)莱茵衣藻的无氧发酵独立发生在细胞质基质、线粒体和叶绿体中。研究表明，在弱光及黑暗条件下莱茵衣藻会逐渐积累H＋，导致叶绿体类囊体腔酸化，进而抑制光合作用，且类囊体腔的酸化程度与无氧发酵产生的弱酸积累量呈正相关，而无氧发酵不产生弱酸的突变体则不会发生类囊体腔酸化现象。下列说法正确的是( ) A．莱茵衣藻细胞中产生NADH的场所是细胞质基质和线粒体 B．黑暗条件下莱茵衣藻细胞质基质内的pH低于类囊体腔 C．有氧呼吸产生的CO2会加剧类囊体腔酸化 D．类囊体腔酸化可能导致光反应生成的NADPH和ATP减少 5. (2024·苏南八校联考)科学家往小球藻培养液中通入14CO2后，分别给予小球藻不同时间的光照后检测放射性物质的分布情况，结果如表所示。根据上述实验结果分析，下列叙述错误的是( ) 实验组别 光照时间/s 放射性物质分布 1 2 大量3－磷酸甘油酸(三碳化合物) 2 20 多种磷酸化糖类 3 60 除上述多种磷酸化糖类外，还有氨基酸、有机酸等 A．本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段 B．每组实验照光后需对小球藻进行处理使酶失活，才能测定放射性物质的分布 C．CO2进入叶绿体后，最初形成的主要物质是多种磷酸化糖类 D．实验结果说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等 6. (2024·宿迁期末)如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解，其中A、B、C、D表示四种化合物，a、b表示两个生理过程，下列叙述错误的是( ) A．突然增加CO2浓度，叶肉细胞内化合物A将会减少 B．突然增强光照，叶肉细胞内化合物B将增加 C．化合物C有较强的还原性 D．化合物D是储存着能量的有机物 7. (2024·盐城期末)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类，相关装置及过程如下图所示，其中甲、乙表示物质，模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。下列说法错误的是( ) A．该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是模块1 B．模块3为模块2提供的物质有ADP、Pi和NADP＋等 C．在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下，该系统糖类的积累量更高 D．人工光合作用系统在沙漠等缺水地区有广阔的应用前景 8. (2024·仪征中学)我国科学家在实验室中实现了从CO2到淀粉分子的全合成，过程简图如下。经核磁共振等检测显示，该人工合成的淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。下列相关说法正确的是( ) A．图中H2的作用类似于叶绿体中的NADH B．在固定等量CO2的情况下，与自然绿色植物相比，人工合成过程的淀粉积累量较少 C．植物体内类似CO2转化为C6中间体进而转化为淀粉的过程，往往发生在叶绿体基质中 D．“C6中间体”如果被植物根细胞利用，在有氧或无氧条件下氧化分解时，在细胞质基质中合成ATP的量不同 9. (2024·徐州模拟)拟南芥的叶肉细胞中，含有的PSⅡ和PSⅠ是由蛋白质和光合色素组成的复合物，具有吸收、传递、转化光能的作用，下列叙述错误的是( ) A．PSⅡ中的色素吸收光能后，可将H2O分解为O2和H＋，并产生电子传递给PSⅠ用于将NADP＋和H＋结合形成NADPH B．图示显示的能量转换是：光能→电能→ATP和NADPH中的化学能 C．在ATP合成酶的作用下，H＋顺浓度梯度转运提供分子势能，促进ADP和Pi合成ATP D．自然界中能发生光合作用的生物，不一定具备PSⅡ和PSⅠ 10. (2024·淮安六校段考)叶片光合产物的产生、输出和转化是植物生命活动的重要组成部分，相关过程如图。下列叙述错误的是( ) A．磷酸丙糖(TP)有3个去向，用于合成蔗糖、淀粉和C5 B．若细胞质基质中Pi浓度很低，给予正常光照和饱和CO2，则淀粉的合成会减少 C．若磷酸丙糖转运器活性受抑制，会导致光合速率下降 D．在小麦灌浆期增施磷肥，有利于小麦的生长和提高产量 11. (2024·徐州期末)植入“生物电池”可使动物借助光合作用修复因能量不足而受损的细胞。科研人员利用菠菜叶肉细胞中的类囊体制成纳米类囊体(NTU)，将其注入小鼠软骨受损的部位，治疗小鼠的骨关节炎，相关机制如图。下列说法错误的是( ) A．NTU膜上含有光合色素和有关的酶，能通过光反应合成ATP和NADPH B．光照条件下，图中受损的小鼠软骨细胞内的ATP可来自线粒体和NTU C．NTU产生的NADPH可以进入线粒体，在线粒体内膜上与O2结合生成水 D．此研究说明植物光反应固定的能量可直接用于动物细胞生命活动 二、 多项选择题 12. (2024·盐城四校期末)光合作用的原理是很多科学家通过实验发现的，光合作用探索历程中的部分经典实验的分析及拓展如图1、2所示。下列相关叙述正确的有( ) 图1 图2 A．图1所示实验的目的是探究光合产物中O2的来源，其中乙组为对照组 B．卡尔文探究暗反应的过程与图1所示的实验均采用了同位素标记法 C．图2所示实验中好氧细菌主要分布于接受光照的水绵细胞各个部位 D．图2所示实验需要把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中 13. (2024·宿迁一模)如图是光合作用过程示意图(字母代表物质)，PSBS是一种类囊体膜蛋白，能感应类囊体腔内H＋的浓度而被激活，激活的PSBS抑制电子在类囊体膜上的传递，最终将过量的光能转换成热能释放，防止强光对植物细胞造成损伤。下列说法正确的有( ) A．H＋经过Z蛋白外流的同时，利用B物质来合成C物质 B．叶绿素分子中被光激发的e－，经传递到达D结合H＋后生成E C．物质F浓度降低至原浓度一半时，短时间内C5化合物的含量将降低 D．降低Z蛋白的活性和阻断卡尔文循环中F的供应都将有利于PSBS发挥功能 14. (2024·南通期末)如图为卡尔文循环主要过程示意图，相关叙述正确的有( ) A．卡尔文循环发生在叶绿体基质中，需要多种酶的参与 B．过程b表示三碳化合物的还原，该过程和再生过程均需要ATP供能 C．突然升高CO2的浓度，短时间内a的量增大，3－磷酸甘油酸的量减少 D．卡尔文循环将ATP和NADPH中的能量传递到磷酸丙糖等有机物中 三、 非选择题 15. (2024·湖南卷节选)钾是植物生长发育的必需元素，主要生理功能包括参与酶活性调节、渗透调节以及促进光合产物的运输和转化等。研究表明，缺钾导致某种植物的气孔导度下降，使CO2通过气孔的阻力增大；Rubisco的羧化酶(催化CO2的固定反应)活性下降，最终导致净光合速率下降。回答下列问题： (1)从物质和能量转化角度分析，叶绿体的光合作用即在光能驱动下，水分解产生 ；光能转化为电能，再转化为 中储存的化学能，用于暗反应的过程。 (2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量 ，从叶绿素的合成角度分析，原因是 (答出两点即可)。 16. (2024·苏州期末)有研究者从菠菜中分离出类囊体膜，将其与16种酶(类似卡尔文循环中的酶)一起包裹在油包水滴中，构建出如图1所示的人工光合系统，其中a、b代表结构。请回答下列问题： 图1 (1)该人工光合系统须包裹在油包水滴中，这与磷脂分子 的特点有关。 (2)人工光合系统经照光后顺利合成出有机物，证明该系统能进行光合作用，其中光反应发生在结构a(填字母)。过程c类似光合作用中的C3的还原(填具体生理过程)，此过程中NADPH的作用有 (2分)。与叶肉细胞相比，该系统可积累更多的有机物，原因有 (2分)。 (3)结构a中的叶绿素含量可通过实验测定：先用有机溶剂提取色素，然后将提取到的色素溶液置于 (填“红光”“蓝紫光”或“白光”)下测定吸光度。使用该种光源的原因是 (2分)。 (4)为进一步探究光合作用过程中CO2转化为有机物的具体途径，科学家通过构建下图2所示装置进行研究，实验步骤见下表。 图2 操作步骤 实验目的 黑暗条件下向单细胞藻类提供14CO2 追踪放射性碳元素去向 整个装置置于摇床以一定速率振荡 将仪器中物质充分混匀 使用冷光灯照射 防止① 影响实验结果 每隔5 s将一些细胞排入热酒精中固定 ② 固定后的藻细胞制成匀浆， 利用放射自显影等技术获得图3所示图谱(斑点是含有放射性的化合物) 揭示不同化合物出现的时间顺序 据图3分析：CO2转化为有机物的途径中，化合物X、Y、Z形成的先后顺序是 。 图3 学科网（北京）股份有限公司 $$