2027届高考生物人教版一轮复习讲义第9讲　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理

该高中生物学讲义聚焦捕获光能的色素、叶绿体结构及光合作用原理等高考核心考点，按“实验-原理-应用”逻辑架构知识，通过夯实基础（实验步骤与异常分析）、判断对错（易错点辨析）、高考链接（真题精讲）等环节，帮助学生系统梳理知识网络，突破实验分析与过程理解难点。 资料以科学思维和探究实践为导向，创新设计“模型法”分析环境条件改变对C3、C5含量的影响，结合实验异常现象原因对照表强化实验探究能力。设置分层练习与即时反馈，助力学生在有限时间内掌握光合色素提取、光反应与暗反应动态关系等关键考点，为教师把控复习节奏、提升学生应考能力提供高效支撑。

第9讲　捕获光能的色素和结构及光合作用的原理 【思维导图】 实验6　绿叶中色素的提取和分离 【夯实基础】 1.实验原理 2.实验步骤 【判断对错】 可以用洋葱鳞片叶提取和分离叶绿体中的色素。 (×) 　　【提示】 洋葱鳞片叶中无叶绿体。 3.实验结果 【判断对错】 将小麦色素提取液滴加到滤纸条,然后将色素滴加部位浸入层析液进行层析。 (×) 　　【提示】 分离光合色素时,应用毛细吸管吸取少量滤液,在滤纸条上画细线且滤液细线不能浸入层析液。 4.绿叶中色素的提取和分离实验异常现象分析 异常现象 原因分析 收集到的滤液颜色过浅 ①未加SiO2或SiO2加入过少,研磨不充分;②使用放置数天的绿叶,滤液色素含量太少;③一次加入大量的无水乙醇,提取液色素浓度太低;④未加碳酸钙或加入过少,色素分子被破坏 滤纸条上看不到色素带 ①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;②忘记画滤液细线 滤纸条上色素带重叠 ①滤纸条未经干燥处理;②滤液细线没有达到细、齐、直的要求,使色素扩散不一致 滤纸条上只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带 ①忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏;②所用叶片为“黄叶” 【高考链接】 实验的基本原理和过程分析 1.(2025·山东卷,T13)“绿叶中色素的提取和分离”实验操作中要注意“干燥”,下列说法错误的是()。 A.应使用干燥的定性滤纸 B.绿叶需烘干后再提取色素 C.重复画线前需等待滤液细线干燥 D.无水乙醇可用加入适量无水碳酸钠的95%乙醇替代 　　【答案】 B 　　【解析】 光合色素分离实验需要使用干燥的定性滤纸,水分会影响层析液在滤纸条上的扩散从而影响色素的分离,A正确;提取光合色素应使用新鲜的绿叶,烘干可能会导致色素被破坏,B错误;重复画线前需等待滤液细线干燥,否则会导致滤液细线变粗,最终导致分离出的色素条带不清晰,C正确;提取光合色素一般用无水乙醇,若没有无水乙醇,可以用加入适量无水碳酸钠的95%乙醇替代,D正确。 2.(2024·贵州卷,T3)为探究不同光照强度对叶色的影响,取紫鸭跖草在不同光照强度下,其他条件相同且适宜,分组栽培,一段时间后获取各组光合色素提取液,用分光光度法(一束单色光通过溶液时,溶液的吸光度与吸光物质的浓度成正比)分别测定每组各种光合色素含量。下列叙述错误的是()。 A.叶片研磨时加入碳酸钙可防止破坏色素 B.分离提取液中的光合色素可采用纸层析法 C.光合色素相对含量不同可使叶色出现差异 D.测定叶绿素的含量时可使用蓝紫光波段 　　【答案】 D 　　【解析】 叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收蓝紫光,所以不能用蓝紫光波段测定叶绿素含量,D错误。 3.(2024·广东卷,T3)银杏是我国特有的珍稀植物,其叶片变黄后极具观赏价值。某同学用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,下列实验操作正确的是()。 A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨 B.研磨时用水补充损失的提取液 C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析 D.用过的层析液直接倒入下水道 　　【答案】 C 　　【解析】 本实验的目的是用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,应选择新鲜程度不同的叶片分开研磨,A错误;光合色素溶于有机溶剂,不溶于水,提取液为无水乙醇,B错误;由于滤纸条不会相互影响,层析液的成分相同,两组滤纸条可以置于同一个烧杯中层析,C正确;用过的层析液含有石油醚、丙酮和苯,不能直接倒入下水道,D错误。 考点一　捕获光能的色素和叶绿体的结构 【夯实基础】 1.光合色素的吸收光谱分析 (1)色素的功能:叶绿素主要吸收　红光和蓝紫光　;类胡萝卜素主要吸收　蓝紫光　。  (2)色素吸收光的范围:可见光的波长是400~760 nm。一般叶绿体中的色素只吸收　可见光　,不吸收红外光和紫外光。   【判断对错】 (1)可进行光合作用的细胞一定都含有叶绿体。 (×) 　　【提示】 蓝细菌能进行光合作用,不含叶绿体。 (2)叶绿素对红光和蓝紫光的吸收量大,类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大,对其他波长的光不吸收。 (×) 　　【提示】 对其他波长的光吸收少。 (3)植物中的色素均参与光合作用。 (×) 　　【提示】 液泡中的色素不参与光合作用。 【思维延伸】 (1)(必修1 P99旁栏思考)植物工厂里为什么不用发绿光的光源?　发绿光的光源发出绿色的光,而光合色素对绿光的吸收最少,故不适合作为植物工厂的光源　。  (2)植物叶片呈现绿色的原因是　含叶绿体且色素对绿光吸收最少,反射绿光　。  (3)蔬菜大棚薄膜最好选用　无色　(填“无色”“红色”或“蓝色”)塑料薄膜,原因是　无色材料可透过各种波长的光,光合色素可捕获更多的光能用于光合作用　。  2.影响叶绿素合成的因素 (1)光照:光照是影响叶绿素合成的主要因素,在黑暗环境中,植物一般不能合成叶绿素,导致叶片发黄。 (2)温度:温度可通过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)必需元素:叶绿素中含N、Mg等必需元素,缺乏N、Mg将导致叶绿素无法合成,叶片变黄。 【思考】 秋天叶片变黄的原因:　低温下叶绿素分子易被破坏,类胡萝卜素较稳定,叶片显示出类胡萝卜素的颜色,叶片变黄　。  3.叶绿体的结构和功能 (1)叶绿体的结构模式图 【判断对错】 (1)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】 光合作用需要的色素分布在类囊体薄膜上,与光合作用有关的酶分布在类囊体薄膜上和基质中。 (2)叶绿体内膜上的部分光合色素被光破坏,吸收和传递光能的效率降低。 (×) 　　【提示】 光合色素位于类囊体薄膜上。 (2)叶绿体的功能 【高考链接】 光合色素的种类和作用及叶绿体的功能 (经典高考真题)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 　　【答案】 D 　　【解析】 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快,D错误。 考点二　光合作用的基本过程 【夯实基础】 1.【生物科学史】探索光合作用原理的部分实验 时间/发现者 内容 19世纪末 科学界普遍认为,在光合作用中,CO2分子的C和O被分开,　O2　被释放,C与H2O结合成甲醛,然后甲醛分子缩合成糖  1928年 科学家发现甲醛对植物有　毒害　作用,而且甲醛不能通过光合作用转化成糖  1937年希尔 (英国) 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　可以释放出氧气　  1941年鲁宾和 卡门(美国) 用同位素示踪的方法,研究了光合作用中氧气的来源,O+CO2植物18O2,H2O+C18O2植物O2,得出光合作用释放的氧全部来自　水　  1954年阿尔农 (美国) 在光照下,叶绿体可合成　ATP　,这一过程总是与　水的光解　相伴随  20世纪40年代 卡尔文等 用经过14C标记的14CO2,供小球藻进行光合作用,然后追踪放射性14C的去向,最终探明了CO2中的碳是如何转化为　有机物　中的碳的  【判断对错】 (2025·福建卷,T8)恩格尔曼选择水绵为实验材料,利用需氧细菌指示氧气释放的场所。 (√) 【思维延伸】 (1)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应,理由是　水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳参与反应,而糖的合成需要碳的参与　。   (2)(必修1 P103“讨论”)尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。 　　【答案】 (3)(链接科学史)光照下卡尔文等给小球藻悬浮液通入14CO2,一定时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析。实验发现,仅仅30 s的时间,放射性代谢物多达几十种,缩短时间到7 s,发现放射性代谢物减少到12种。如果要探究CO2转化成的第一个产物是什么,可能的实验思路是　继续缩短光照时间后杀死小球藻,直至放射性产物只有一种　。  2.光合作用的过程 (1)概念: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)过程: 【思考】 (1)反应式及元素去向的分析: ①反应式(以生成C6H12O6为例):  　。  ②标出元素的去向:  　。  (2)光反应中光能转化成的活跃化学能仅储存于ATP中吗?　不是,还有一部分储存在NADPH中　。  【判断对错】 将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中,一段时间后植株达到40 g,其增加的质量来自水、矿质元素和土壤。 (×) 　　【提示】 黄瓜幼苗可以吸收水,增加鲜重,也可以从土壤中吸收矿质元素,合成相关的化合物,也可以利用大气中二氧化碳进行光合作用制造有机物,增加细胞干重。故黄瓜幼苗在光照下增加的质量来自水、矿质元素和空气。 3.光合作用与化能合成作用的比较 项目 光合作用 化能合成作用 能量 　光能　  　无机物氧化时放出的能量　  代表生物 绿色植物 　硝化细菌　  相同 都能利用CO2和H2O等无机物合成有机物 【判断对错】 硝化细菌主要从硝酸还原成氨的过程中获取能量。 (×) 　　【提示】 硝化细菌主要从氨氧化成亚硝酸,进而氧化成硝酸的过程中获取能量。 4.环境条件改变各物质含量的变化分析 (1)当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时,分析相关物质含量在短时间内的变化 (2)“模型法”表示条件改变后短时间内C3和C5的含量变化 【判断对错】 在适宜反应条件下,用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后,突然改用光照强度与白光相同的绿光照射,则NADPH含量下降。 (√) 【思考】 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　暗反应中C3的还原需要光反应提供ATP和NADPH,停止光照会导致光反应停止,叶绿体中仍有少量ATP和NADPH,能使暗反应持续进行一段时间,但这段时间后,暗反应会因缺少ATP和NADPH而无法进行　;CO2不足,暗反应减弱后光反应也无法正常进行,原因是　光反应需要暗反应提供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　。  【深化探究】 水葫芦(凤眼莲)是一种繁殖能力极强的水生植物,其叶片富含光合色素。某研究小组为探究环境因素对水葫芦光合作用的影响,用纸层析法进行色素提取和分离实验并测定不同光照下的CO2吸收速率。实验发现,当光照强度从500 μmol·m-2·s-1增至1 000 μmol·m-2·s-1时,CO2吸收速率不再增加。下列分析错误的是()。 A.滤纸条最下方的黄绿色色素带是叶绿素b,其主要吸收红光和蓝紫光 B.若用缺镁的培养液培养水葫芦,滤纸条上蓝绿色色素带会变窄 C.光照强度为1 000 μmol·m-2·s-1时,限制CO2吸收速率增加的因素可能是CO2浓度 D.若突然停止光照,短时间内叶绿体中C5含量将上升 　　【答案】 D 　　【解析】 叶绿素b在层析液中的溶解度最低,滤纸条最下方的黄绿色色素带是叶绿素b,其主要吸收红光和蓝紫光,A正确;镁是叶绿素的组成元素,缺镁会导致叶绿素合成不足,若用缺镁的培养液培养水葫芦,滤纸条上蓝绿色色素带会变窄,B正确;光照强度为1 000 μmol·m-2·s-1时,限制CO2吸收速率增加的因素可能是CO2浓度或温度等,C正确;突然停止光照,ATP和NADPH减少,C3还原受阻,进而导致C5生成减少,而C5消耗暂不变,故短时间内叶绿体中C5含量将下降,D错误。 【题后归纳】 　　光合作用是植物利用光能,将CO2和H2O转化为有机物并释放O2的过程,其效率受光强、温度、CO2浓度等环境因素影响。 【高考链接】 一、探究光合作用过程的相关实验拓展 1.(2025·重庆卷,T16)科研人员以水稻秸秆为原料合成的一种新型纳米材料X,发现其能通过叶面或根部吸收进入植物细胞。 (1)为分析X对植物光能利用的影响,科研人员用添加X的培养液培养水绵,再用通过三棱镜的光照射载有需氧细菌和水绵的临时装片,观察并统计不同光质下需氧细菌数量,结果见下表。 处理 光质 蓝光 绿光 黄光 橙光 红光 培养液(对照) 150 12 10 14 89 培养液+X 139 28 7 13 88 结果表明,X能够促进水绵利用　　　　光。在水绵细胞中,X呈现出随机分布的特点,当X分布在叶绿体的　　　　　时,水绵光能利用效率最佳。  (2)为进一步探究X对叶绿体功能的影响,开展了下列实验。 ①用离体叶绿体、X和Y(可与NADPH发生反应的化合物)进行实验,在相同光照条件下,实时测定并计算Y的变化量。由图可知,X能　　　(填“促进”或“抑制”)叶绿体合成NADPH。为保证本实验的严谨性,需增设1个处理,即Y+经煮沸的叶绿体。该处理获得的结果最符合图中曲线的　　　　(填“甲”“乙”或“丙”)。  ②将清水和X溶液分别处理后的植物叶片用打孔器打出叶圆片,抽气后,再置于1%的碳酸氢钠溶液中,给予相同的光照,发现X溶液处理的叶圆片先浮出叶面,其原因是　　　      　　　    　。  (3)研究还发现处理植物的X浓度过高,会出现植物叶片气孔开放度下降的现象,推测与之相关的植物激素及其含量变化是　　　　　　　　。  　　【答案】 (1)绿　类囊体/基粒　(2)①促进　丙　②X溶液处理能提高叶圆片光能利用率,促进光反应的进行,产生氧气速率加快　(3)脱落酸含量增加 　　【解析】 (1)分析表格数据可知,与对照组相比,培养液+X组中,绿光下需氧细菌数量增加。由于需氧细菌会聚集在氧气释放多的部位,而氧气是光合作用光反应的产物,所以X能够促进水绵利用绿光。叶绿体中类囊体薄膜是光反应的场所,当X分布在叶绿体的类囊体(基粒)时,能更好地促进水绵对光能的吸收和利用,使水绵光能利用效率最佳。(2)①由图可知,与Y+叶绿体组相比,Y+叶绿体+X组Y的变化量更大,说明X能促进叶绿体合成NADPH。经煮沸的叶绿体已经失去活性,不能合成NADPH,Y的量基本不变,所以该处理获得的结果最符合图中曲线的丙。②叶圆片通过光合作用产生的O2使自身上浮,光合速率越快,产生O2的速率越快,叶圆片上浮所需时间越短,由(1)可知,X能提高植物光能利用率,故X溶液处理后的叶圆片光合作用更强,产生O2的速率更快,先浮出水面。(3)脱落酸能促进气孔关闭,当处理植物的X溶液浓度过高时,植物叶片气孔开放度下降,推测与之相关的植物激素是脱落酸,且其含量增加。 二、光合作用原理的综合考查(高频) (2025·黑吉辽内蒙古卷,T10)黑暗条件下,叶绿体内膜的载体蛋白NTT顺浓度梯度运输ATP、ADP和Pi的过程示意图如下。其他条件均适宜,下列叙述正确的是()。 A.ATP、ADP和Pi通过NTT时,无须与NTT结合 B.NTT转运ATP、ADP和Pi的方式为主动运输 C.图中进入叶绿体基质的ATP均由线粒体产生 D.光照充足,NTT运出ADP的数量会减少甚至停止 　　【答案】 D 　　【解析】 载体蛋白需要与底物结合后才能转运物质。NTT作为载体蛋白,运输ATP、ADP和Pi时必然需要结合底物,A错误。黑暗条件下,叶绿体内膜的载体蛋白NTT顺浓度梯度运输ATP、ADP和Pi,因此该过程不是主动运输,B错误。黑暗条件下,叶绿体无法进行光反应,自身不能合成ATP。此时进入叶绿体基质的ATP可来自细胞呼吸,但细胞呼吸产生ATP的场所包括细胞质基质(细胞呼吸第一阶段)和线粒体(有氧呼吸第二、三阶段),C错误。光照充足时,叶绿体类囊体膜上进行光反应合成ATP,需要消耗大量ADP和Pi作为原料。此时叶绿体基质中的ADP和Pi会优先被类囊体膜利用,导致基质中ADP浓度降低。由于NTT顺浓度梯度运输ADP(从叶绿体基质到细胞质基质),故光照充足时,NTT运出ADP的数量会减少甚至停止,D正确。 三、不同条件下光合作用过程中物质含量的变化 【高考链接】 (经典高考真题)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。 (1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是　　　　　　　　　,模块3中的甲可与CO2结合,甲为　　　　　　。  (2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将　　　　(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是　　　  　    　　　    　。  (3)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　　　　(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是　　　  　    　　　    　。  (4)干旱条件下,很多植物光合作用速率降低,主要原因是　　　      　　　    　。  人工光合作用系统由于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。 　　【答案】 (1)模块1和模块2　C5　(2)减少　模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足　(3)高于　人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或植物呼吸作用消耗糖类)　(4)叶片气孔开放程度降低,CO2的吸收量减少 　　【解析】 模块1将光能转化为电能,模块2将电能转化为活跃的化学能,两个模块加起来相当于叶绿体中光反应的功能。在模块3中,CO2和甲反应生成乙的过程相当于暗反应中CO2的固定,因此甲为C5。(2)分析题图可知,乙为C3,若气泵突然停转,大气中CO2无法进入模块3,相当于暗反应中CO2浓度降低,短时间内C3的合成减少,而C3仍在正常还原,因此C3的总量会减少。若气泵停转时间较长,模块3中CO2的量严重不足,导致暗反应的产物ADP、Pi和NADP+不足,无法正常供给光反应需要的物质,则模块2中的能量转换效率也会发生改变。(3)略。(4)在干旱条件下,植物为减少水分散失会降低气孔开放程度,这会导致CO2的吸收量减少,因此光合作用速率降低。 1 学科网（北京）股份有限公司 $