必修1 第3单元 第5讲 素养提升课——破译新情境 系统实验知能 增分主观大题（学生讲义）-【新高考方案】2025版高考生物一轮总复习（江苏专版）

第5讲　素养提升课——破译新情境·系统实验知能·增分主观大题 一、破译新情境——抽象、理性的学科情境要读懂 新情境问题(一)　三类生物的CO2浓缩机制解读 [科普科研材料] 1．C4植物的CO2浓缩机制 C4植物大多起源于热带，为了防止水分过度蒸发，C4植物常常关闭叶片上的气孔，这样空气中的CO2就不易进入叶肉细胞，不能满足光合作用对CO2的需求。而C4植物独特的C4途径中能固定CO2的PEP羧化酶对CO2有很高的亲和力，使叶肉细胞能有效地固定和浓缩CO2，供维管束鞘细胞中叶绿体内的C3途径利用(如图所示)。 2．蓝细菌的CO2浓缩机制 蓝细菌具有CO2浓缩机制，如图所示。 注：羧化体具有蛋白质外壳，可限制气体扩散 3．景天科植物的CO2浓缩机制 景天科酸代谢是许多肉质植物的一种特殊代谢方式，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，作用机制如图所示(该机制也称CAM途径)。 [内蕴知识解读] (1)C4植物的CO2固定发生在　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (2)科学家用含14C标记的CO2来追踪玉米(C4植物)光合作用中的碳原子的转移途径，请表示这种碳原子的转移途径　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)与水稻、小麦等C3植物相比，C4植物的CO2的补偿点较　　　。高温、干旱时C4植物还能保持高效光合作用的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)CO2依次以　　　　　　　　　　　方式通过蓝细菌 细胞膜和光合片层膜。蓝细菌的CO2浓缩机制可提高羧化体中Rubisco周围的CO2浓度，从而促进 　　　　　。 (5)向烟草内转入蓝细菌Rubisco的编码基因和羧化体外壳蛋白的编码基因。若蓝细菌羧化体可在烟草中发挥作用并参与暗反应，应能利用电子显微镜在转基因烟草细胞的　　　　中观察到羧化体。 (6)从进化角度看，景天科植物这种气孔开闭特点的形成是　　　　　的结果。夜晚，该类植物吸收的CO2　　　(填“能”或“不能”)合成葡萄糖，原因是　　　　　　　　　　　　　　。 (7)CAM途径是对　　　　 (填“干旱”或“湿润”)环境的适应；该途径除维持光合作用外，对植物的生理意义还表现在　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 [迁移创新训练] 1．研究发现，玉米、甘蔗等植物除了和其他C3植物一样具有卡尔文循环(固定CO2的初产物为C3，简称C3途径)外，还有另一条固定CO2的途径，固定CO2的初产物为C4，简称C4途径，这种植物为C4植物，其固定CO2的途径如图。研究发现，C4植物中PEP羧化酶对CO2的亲和力约是Rubisco的60倍。下列有关叙述错误的是(　 ) A．图中CO2进入叶肉细胞被固定的最初产物是草酰乙酸 B．高温条件下，C4植物光合效率高的原因是气孔不关闭 C．低浓度CO2条件下，C4植物可能比C3植物生长得好 D．苹果酸的主要作用是将叶肉细胞中的CO2转入维管束鞘细胞 2．景天科植物(如景天、落地生根)的叶子有一个很特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收的CO2生成苹果酸(一种有机酸)储存在液泡中，白天气孔关闭，液泡中的苹果酸经脱羧作用释放CO2用于光合作用，其部分代谢途径如图所示。下列有关分析错误的是(　 ) A．景天科植物参与卡尔文循环的CO2直接来源于苹果酸的分解 B．由景天科植物特殊的CO2同化方式推测其可能生活在高温干旱地区 C．如果白天适当提高CO2浓度，景天科植物的光合速率基本不变 D．白天景天科植物叶肉细胞内有机酸和葡萄糖的含量变化趋势可能相反 新情境问题(二)　光呼吸现象解读 [科普科研材料] 光呼吸现象产生的分子机制是O2和CO2竞争Rubisco。在暗反应中，Rubisco能够以CO2为底物实现CO2的固定；在光下，当O2浓度高、CO2浓度低时，O2会竞争Rubisco，在光的驱动下将碳水化合物氧化生成CO2和水。 光呼吸是一个高耗能的反应，正常生长条件下光呼吸就可损耗掉光合产物的25%～30%。过程如图所示： 光呼吸对生物体有一定的危害。如果在较强光下，光呼吸加强，使得C5氧化分解加强，一部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累；光呼吸过程中消耗了ATP和NADPH，即造成了能量的损耗。其实光呼吸和卡尔文循环是一种动态平衡，适当的光呼吸对植物体有一定积极意义，光呼吸可以回收碳元素，防止强光对叶绿体的破坏。 [内蕴知识解读] (1)由于光呼吸的存在，会降低植物体内有机物的积累速率。Rubisco的催化方向取决于CO2与O2的浓度比，请推测具体的情况：　　　　　　　　　　　　　　　　。 (2)研究发现，较多的光合产物要消耗在光呼吸底物上。实际生产中，常通过适当升高CO2浓度达到增产的目的，请分析并解释其原理：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(从光合作用原理和Rubisco催化反应特点两个方面作答)。 (3)已知强光下ATP和NADPH的积累会产生O2－(超氧阴离子自由基)，而O2－会对叶绿体光合作用的反应中心造成伤害。依据材料图中信息，解释植物在干旱天气和过强光照下，光呼吸的积极意义是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 [迁移创新训练] 1．光合作用暗反应过程中，CO2与RuBP在酶Rubisco的催化下生成3­磷酸甘油酸。O2与CO2竞争性结合RuBP，O2与RuBP反应后生成磷酸乙醇酸，最终释放CO2，该过程称为光呼吸。正在进行光合作用的绿色植物叶片在光照停止后，CO2释放量突然增加，称为“二氧化碳的猝发”。下列说法正确的是(　 ) A．光照过强气孔关闭，若植物呼吸强度不变，则CO2的产生量减少 B．光呼吸会消耗有机物，对植物生长不利，应该抑制 C．突然停止光照，磷酸乙醇酸的生成量增加 D．O2与RuBP反应的过程必须在光下进行 2．光呼吸是植物利用光能，吸收O2并释放CO2的过程。研究者将四种酶(GLO、CAT、GCL、TSR)基因导入水稻叶绿体，创造了一条新的光呼吸代谢支路(GCGT支路)，如图虚线所示。 据图分析，下列推测错误的是(　 ) A．光呼吸时C5与O2的结合发生在线粒体内膜上 B．光呼吸可以将部分碳重新回收进入卡尔文循环 C．GCGT支路有利于减少H2O2对叶绿体的损害 D．GCGT支路可以降低光呼吸从而提高光合效率 二、系统实验知能——实验变量与实验设计的原则 (一)变量的类型 自变量 又称实验变量，是研究者主动操纵即实验所探究的条件和因子，是作用于实验对象的刺激变量，坐标中横轴标识一般为自变量 因变量 又称反应变量，是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，应具有可测性和客观性，坐标中纵轴标识一般为因变量 无关变量 又称干扰变量、控制变量，是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量，实验时一般需控制无关变量适宜且相同 (二)实验设计的三大原则 1．单一变量原则。无论一个实验有几个自变量，都应确定一个自变量对应观测一个因变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中复杂关系的准则之一。单一变量原则要求在实验组和对照组的实验中都只能有一个变量，这样得出的实验结果与单一变量之间就能形成一一对应关系，便于观察实验结果以及分析实验结果的成因。 2．平行重复原则。在实验设计中为了避免实验结果的偶然性，必须对所做实验进行足够次数的重复，以获得多次实验结果的平均值，保证实验结果的准确性。 3．对照原则。在实验设计中应设置对照实验，以便减小实验误差。常用的对照方法包括：空白对照、自身对照、条件对照、相互对照(也叫对比实验)，如下表： 空白 对照 对照组为不作任何处理的对象组。这里的不作处理，并非什么因素都不给予，而是针对实验所要研究的因素不给予，以体现实验因素的有无对实验结果的影响。如“探究影响酶活性的条件”实验中： 自身 对照 实验与对照在同一个对象上进行，不另设对照组。如“探究植物细胞的吸水和失水”实验，是典型的自身对照——蔗糖溶液处理前的对象为对照组，蔗糖溶液处理后的对象为实验组；清水处理前的对象为对照组，清水处理后的对象为实验组 条件 对照 给对照组施以某种实验处理，但该处理不是所研究的实验因素，以突出实验实施的处理因素与实验所研究因素的差异，从一个侧面衬托实验因素对实验结果所造成的影响。如肺炎链球菌转化实验中以下两组实验： S型细菌DNA＋R型活细菌S型菌落＋R型菌落(实验组)； S型细菌DNA＋DNA酶＋R型活细菌R型菌落(条件对照组) 相互 对照 如果并不知道两组(或多组)实验中的自变量对实验结果所造成的影响，需要通过实验来进行确定。不单独设对照组，而是几个实验组相互对比对照，其中每一组既是实验组也是其他组别的对照组，由此得出相应的实验结论。 相互对照实验也称对比实验。如“探索生长素类调节剂促进插条生根的最适浓度”实验 (三)实验设计策略 [专题提能训练] 1．实验设计应注重科学性、遵循实验设计原则。下列有关生物学实验的叙述，正确的是(　 ) A．“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，自变量为催化剂，因变量为O2生成量 B．探究“温度对酶活性的影响”实验，可选用唾液淀粉酶，并且需要设计空白对照组 C．探究“pH对酶活性的影响”实验，可选用胃蛋白酶，在pH为6～8范围设置不同实验组 D．探究“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”实验，可用斐林试剂鉴定产物中有无还原糖 2．为了探究淀粉酶的最适温度，某同学进行了下图所示的实验操作，实验步骤如下： 步骤①：取10支试管，均分为五组。每组的两支试管中分别加入1 mL淀粉酶溶液和2 mL质量分数为5%的淀粉溶液。 步骤②：将每组淀粉酶溶液和淀粉溶液混合并摇匀。 步骤③：将装有混合溶液的五支试管(编号1、2、3、4、5)分别置于15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃水浴中。反应过程中每隔1分钟从各支试管中取出一滴反应液，滴在比色板上，加1滴碘液显色，回答下列问题： (1)本实验的自变量是________，如果想验证淀粉酶的化学本质可以用____________来检测。 (2)该实验的设计存在一个明显的错误，即_________________________________。 (3)在本实验中，各组溶液的pH要保证______________，该实验________(填“能”或“不能”)选用斐林试剂检测实验结果。理由是______________________________________。 (4)纠正实验步骤后，进行操作。一段时间后，当第3组试管中的反应物与碘液混合开始呈棕黄色时，各组实验现象如表所示(“＋”表示蓝色程度)。 组别 1 2 3 4 5 处理温度/ ℃ 15 25 35 45 55 结果 ＋＋ ＋ 棕黄色 ＋ ＋＋ 分析上述实验结果，可以得出该淀粉酶的最适温度在____________之间。某同学在进行本实验的过程中发现反应时间过长，为缩短反应时间，请你提出合理的改进措施：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(至少答两点)。 三、增分主观大题——细胞代谢类主观题的题点考法集训 细胞代谢类主观题是高考必考大题之一，常借助文字信息、细胞代谢过程示意图或曲线图创设情境，考查细胞呼吸和光合作用的相关原理分析，试题情境既有农业生产和生活实践情境，又有科学实验与探究情境，重点考查对题干信息的获取、分析和理解以及识图、析图的能力。在复习中要重点关注相关曲线变化与光合作用和细胞呼吸原理之间的联系，通过训练掌握解答有关细胞代谢类主观题的答题技巧。 1．(2022·全国甲卷，节选)(1)正常条件下，植物叶片的光合产物不会全部运输到其他部位，原因是　　　　　　　　　(答出1点即可)。 (2)干旱会导致气孔开度减小，研究发现在同等程度干旱条件下，C4植物比C3植物生长得好。从两种植物CO2补偿点的角度分析，可能的原因是　　　　　　　　　。 2．(2022·山东卷，节选)强光照射后短时间内，苹果幼苗光合作用暗反应达到一定速率后不再增加，但氧气的产生速率继续增加。苹果幼苗光合作用暗反应速率不再增加，可能的原因有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答出2种原因即可)；氧气的产生速率继续增加的原因是　　　　　　　　。 3．(2021·海南卷，节选)(1)植物工厂用营养液培植生菜过程中，需定时向营养液通入空气，目的是增加培养液中的溶氧量，促进根部细胞进行呼吸作用。除通气外，还需更换营养液，其主要原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　。 (2)植物工厂选用红蓝光组合LED灯培植生菜，选用红蓝光的依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 4．(2023·全国乙卷，节选)植物的气孔由叶表皮上两个具有特定结构的保卫细胞构成。保卫细胞吸水体积膨大时气孔打开，反之关闭。保卫细胞含有叶绿体，在光下可进行光合作用。已知蓝光可作为一种信号促进保卫细胞逆浓度梯度吸收K＋。有研究发现，用饱和红光(只用红光照射时，植物达到最大光合速率所需的红光强度)照射某植物叶片时，气孔开度可达最大开度的60%左右。回答下列问题。 (1)红光可通过光合作用促进气孔开放，其原因是　　　　　　　　　　　　。 (2)某研究小组发现在饱和红光的基础上补加蓝光照射叶片，气孔开度可进一步增大，因此他们认为气孔开度进一步增大的原因是，蓝光促进保卫细胞逆浓度梯度吸收K＋。请推测该研究小组得出这一结论的依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 5．(2023·湖南高考)下图是水稻和玉米的光合作用暗反应示意图。卡尔文循环的Rubisco酶对CO2的Km为450 μmol·L－1(K越小，酶对底物的亲和力越大)，该酶既可催化RuBP与CO2反应，进行卡尔文循环，又可催化RuBP与O2反应，进行光呼吸(绿色植物在光照下消耗O2并释放CO2的反应)。该酶的酶促反应方向受CO2和O2相对浓度的影响。与水稻相比，玉米叶肉细胞紧密围绕维管束鞘，其中叶肉细胞叶绿体是水光解的主要场所，维管束鞘细胞的叶绿体主要与糖类生成有关。玉米的暗反应先在叶肉细胞中利用PEPC酶(PEPC对CO2的Km为7 μmol·L－1)催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与CO2反应生成C4，固定产物C4转运到维管束鞘细胞后释放CO2，再进行卡尔文循环。回答下列问题： (1)玉米的卡尔文循环中第一个光合还原产物是　　　　　(填具体名称)，该产物跨叶绿体膜转运到细胞质基质合成　　　　(填“葡萄糖”“蔗糖”或“淀粉”)后，再通过　　　　　　　　长距离运输到其他组织器官。 (2)在干旱、高光照强度环境下，玉米的光合作用强度　　　　(填“高于”或“低于”)水稻。从光合作用机制及其调控分析，原因是　　　　　　　　　(答出三点即可)。 (3)某研究将蓝细菌的CO2浓缩机制导入水稻，水稻叶绿体中CO2浓度大幅提升，其他生理代谢不受影响，但在光饱和条件下水稻的光合作用强度无明显变化。其原因可能是 　　　　　　　　　　(答出三点即可)。 6．(2023·山东高考)当植物吸收的光能过多时，过剩的光能会对光反应阶段的PSⅡ复合体(PSⅡ)造成损伤，使PSⅡ活性降低，进而导致光合作用强度减弱。细胞可通过非光化学淬灭(NPQ)将过剩的光能耗散，减少多余光能对PSⅡ的损伤。已知拟南芥的H蛋白有2个功能：①修复损伤的PSⅡ；②参与NPQ的调节。科研人员以拟南芥的野生型和H基因缺失突变体为材料进行了相关实验，结果如图所示。实验中强光照射时对野生型和突变体光照的强度相同，且强光对二者的PSⅡ均造成了损伤。 (1)该实验的自变量为　　　　　　　　　　　。该实验的无关变量中，影响光合作用强度的主要环境因素有　　　　　　　　　　　　　　(答出2个因素即可)。 (2)根据本实验，　　　　(填“能”或“不能”)比较出强光照射下突变体与野生型的PSⅡ活性强弱，理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)据图分析，与野生型相比，强光照射下突变体中流向光合作用的能量(填“多”或“少”)。若测得突变体的暗反应强度高于野生型，根据本实验推测，原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 9 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $$