2023版高三一轮总复习生物人教版必修1 第3单元 素养加强课2光合作用和细胞呼吸的综合

考点1光合作用与呼吸作用过程及物质和能量的联系1．物质名称b．O2，c．ATP，d．ADP，e．NADPH，f．C5，g．CO2，h．C3。2．生理过程及场所序号①②③④⑤生理过程光反应暗反应有氧呼吸第一阶段有氧呼吸第二阶段有氧呼吸第三阶段场所叶绿体类囊体薄膜叶绿体基质细胞质基质线粒体基质线粒体内膜3．物质方面C：CO2eq\o(→,\s\UP8(暗反应))C6H12O6eq\o(→,\s\UP8(有氧呼吸),\s\DO6(第一阶段))丙酮酸eq\o(→,\s\UP8(有氧呼吸),\s\DO6(第二阶段))CO2O：H2Oeq\o(→,\s\UP8(光反应))O2eq\o(→,\s\UP8(有氧呼吸),\s\DO6(第三阶段))H2Oeq\o(→,\s\UP8(有氧呼吸),\s\DO6(第二阶段))CO2eq\o(→,\s\UP8(暗反应))有机物H：H2Oeq\o(→,\s\UP8(光反应))NADPHeq\o(→,\s\UP8(暗反应))C6H12O6eq\o(→,\s\UP8(有氧呼吸),\s\DO6(第一、二阶段))[H]eq\o(→,\s\UP8(有氧呼吸),\s\DO6(第三阶段))H2O4．能量方面光能eq\o(→,\s\UP8(光反应))ATP和NADPH中活跃的化学能eq\o(→,\s\UP8(暗反应))C6H12O6中稳定的化学能eq\o(→,\s\UP8(有氧),\s\DO6(呼吸))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(热能,ATP中活跃的化学能,→各项生命活动))1．(2021·邢台检测)如图表示植物光合作用、细胞呼吸中氧的转移过程。下列叙述正确的是()H2Oeq\o(→,\s\UP8(①))O2eq\o(→,\s\UP8(②))H2Oeq\o(→,\s\UP8(③))CO2eq\o(→,\s\UP8(④))C3eq\o(→,\s\UP8(⑤))(CH2O)A．过程①②④都有ATP生成B．过程②③进行的场所不同C．过程②⑤所需[H]全部来源于过程①D．过程①③⑤都需在生物膜上进行B[④过程中没有ATP生成，A项错误；过程②进行的场所是线粒体的内膜，过程③进行的场所是线粒体的基质，B项正确；过程⑤所需[H]来源于过程①，过程②所需[H]来源于有氧呼吸的第一和第二阶段，C项错误；过程①③⑤进行的场所分别是叶绿体类囊体薄膜、线粒体基质和叶绿体基质，D项错误。]2．(2021·南京模拟)图①～⑥表示菠菜叶肉细胞代谢过程中碳元素和氢元素的转移途径，下列叙述错误的是()A．过程①②③不在生物膜上进行B．参与过程②③⑤的酶种类不同C．过程②③④⑤都有ATP产生D．过程③产生的[H]中的氢元素全部来自丙酮酸D[①发生在叶绿体基质，②发生在细胞质基质，③发生在线粒体基质，A正确；②③⑤三个过程是不同的反应，根据酶的专一性，推知种类不同，B正确；②③④为有氧呼吸，产生ATP，⑤为光反应，也产生ATP，C正确；过程③中产生的[H]中的氢元素来自丙酮酸和水，D错误。]3．(2021·山东等级考改编)关于细胞中的H2O和O2，下列说法不正确的是()A．由葡萄糖合成糖原的过程中一定有H2O产生B．有氧呼吸第二阶段一定消耗H2OC．植物细胞产生的O2只能来自光合作用D．光合作用产生的O2中的氧元素只能来自H2OC[葡萄糖是单糖，通过脱水缩合形成多糖的过程有水生成，A正确；有氧呼吸第二阶段是丙酮酸和水反应生成CO2和[H]，所以一定消耗H2O，B正确；有些植物细胞含有过氧化氢酶(例如土豆)，可以分解过氧化氢生成O2，因此植物细胞产生的O2不一定只来自光合作用，C错误；光反应阶段水的分解产生氧气，故光合作用产生的O2中的氧元素只能来自H2O，D正确。]4．(2021·济南联考)如图为植物细胞代谢的部分过程简图，①～⑦为相关生理过程。下列有关叙述不正确的是()A．若植物缺Mg，则首先会受到显著影响的是③B．②的进行与⑤⑥密切相关，与③⑦无直接关系C．叶肉细胞中③发生在类囊体膜上，④发生在叶绿体基质中D．叶肉细胞③中O2的产生量等于⑥中O2的消耗量，则一昼夜该植物体内有机物的总量不变D[叶肉细胞③中O2的产生量等于⑥中O2的消耗量，则叶肉细胞的净光合量为0。植物体中不含叶绿体的细胞细胞呼吸要消耗有机物，一昼夜的夜间植物体的细胞要消耗有机物。因此，一昼夜该植物体内有机物的总量会减少。]考点2真正光合速率和净光合速率的关系及其速率测定1．真正光合速率、净光合速率和细胞呼吸速率的关系(1)内在关系①细胞呼吸速率：植物非绿色组织(如苹果果肉细胞)或绿色组织在黑暗条件下测得的值——单位时间内一定量组织的CO2释放量或O2吸收量。②净光合速率：植物绿色组织在有光条件下测得的值——单位时间内一定量叶面积所吸收的CO2量或释放的O2量。③真正(总)光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率。(2)判定方法①根据坐标曲线判定a．当光照强度为0时，若CO2吸收值为负值，则该值的绝对值代表细胞呼吸速率，该曲线代表净光合速率，如图甲。b．当光照强度为0时，光合速率也为0，该曲线代表真正光合速率，如图乙。②根据关键词判定检测指标细胞呼吸速率净光合速率真正光合速率CO2释放量(黑暗)吸收量(植物)、减少量(环境)利用量、固定量、消耗量O2吸收量(黑暗)、消耗量(黑暗)释放量(植物)、增加量(环境)产生量、生成量、制造量、合成量葡萄糖消耗量(黑暗)积累量、增加量产生量、生成量、制造量、合成量2．光合速率的测定方法(1)液滴移动法①测定呼吸速率a．装置小烧杯中放入适宜浓度NaOH溶液，用于吸收CO2。b．玻璃钟罩应遮光处理，目的是排除光合作用的干扰。c．置于适宜温度环境中。d．红色液滴向左移动，单位时间内移动距离代表呼吸速率。②测定净光合速率a．装置小烧杯中放入适宜浓度的CO2缓冲液，用于维持容器内CO2浓度的恒定。b．给予较强光照处理，且温度适宜。c．红色液滴向右移动，单位时间内移动距离代表净光合速率。③误差校正为排除温度、气压等因素引起的气体体积膨胀，应设计对照实验。对照实验与如图不同之处在于不放植物或放置死亡的植物。④真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。(2)黑白瓶法——测溶氧量的变化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(初始值设为X)，白瓶中测得的现有量(设为M)－黑瓶中测得的现有量(设为N)＝总光合作用量，即(X－N)＋(M－X)＝M－N。注：该方法假设植物不进行无氧呼吸。(3)半叶法——测定光合作用有机物的产生量如图所示，“半叶法”的原理是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(可先在叶柄基部用热水或热石蜡液烫伤)阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射一段时间后，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作用强度。若M＝MB－MA，则M表示B叶片被截取部分在这段时间内光合作用合成的有机物总量。1．(2021·潍坊检测)生物科技小组的同学利用完全培养液，对某种植物离体的叶肉细胞进行悬浮培养，进行了一系列实验测定，绘制成如下图所示曲线。据图分析，错误的是()A．在35℃时，B．该实验的目的是探究温度对叶肉细胞光合作用速率与呼吸作用速率的影响C．叶肉细胞中与呼吸作用有关的酶的最适温度更高D．保持其他条件不变，突然增强光照时，短时间内叶肉细胞中C3的含量将减少A[根据题图分析可知，在35℃时，叶肉细胞的净光合速率与呼吸作用速率相等，那么总光合速率是呼吸作用速率的2倍，A错误；根据题图分析可知，该实验的目的是探究温度对叶肉细胞光合作用速率与呼吸作用速率的影响，B正确；根据题图分析可知，光合作用的最适温度大约在25℃，而呼吸作用的最适温度为不低于50℃，因此叶肉细胞中与呼吸作用有关的酶的最适温度更高，C正确；当其他条件不变突然增强光照时，光反应增强，细胞中ATP和NADPH的量增加，C32．(2020·浙江7月选考)将某植物叶片分离得到的叶绿体，分别置于含不同蔗糖浓度的反应介质溶液中，测量其光合速率，结果如图所示。图中光合速率用单位时间内单位叶绿素含量消耗的二氧化碳量表示。下列叙述正确的是()A．测得的该植物叶片的光合速率小于该叶片分离得到的叶绿体的光合速率B．若分离的叶绿体中存在一定比例的破碎叶绿体，测得的光合速率与无破碎叶绿体的相比，光合速率偏大C．若该植物较长时间处于遮阴环境，叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B～C段对应的关系相似D．若该植物处于开花期，人为摘除花朵，叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中A～B段对应的关系相似A[植物叶片光合作用消耗的二氧化碳来自空气中的二氧化碳和自身细胞呼吸产生的二氧化碳，测植物叶片的光合速率时，测的是密闭装置内二氧化碳的减少量，不包括细胞呼吸提供的二氧化碳量，所以此数值比植物叶片光合速率的真实值小；分离得到的叶绿体光合作用消耗的二氧化碳全部来自空气中的二氧化碳，测叶绿体的光合速率时，测的也是密闭装置内二氧化碳的减少量，此数值可代表叶绿体光合速率的真实值，A项正确；叶绿体是光合作用的主要场所，其结构被破坏，会使光合速率降低，故与无破碎叶绿体的光合速率相比，存在破碎叶绿体的光合速率偏小，B项错误；若该植物较长时间处于遮阴环境，光照不足，光反应减弱，光合速率一直处于较低水平，叶片内蔗糖合成较少，无法达到B点水平，故叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中A～B段对应的关系相似，C项错误；当植物处于开花期时，叶片合成的蔗糖大量向花朵运输，若此时人为摘除花朵，叶片合成的蔗糖会在叶片处积累，叶片内蔗糖浓度与光合速率的关系与图中B～C段对应的关系相似，D项错误。]3．(2021·武汉二中模拟)一位同学研究某湖泊中X深度生物光合作用和有氧呼吸时，设计了如下操作：取三个相同的透明玻璃瓶标号a、b、c，将a先包以黑胶布，再包以铅箔。将a、b、c三个瓶子均在湖中待测深度取满水，并测定c瓶中水的溶氧量。将a、b两瓶密封后再沉入待测深度水体中，24小时后取出。测定a、b两瓶中水的溶氧量，三个瓶子的测量结果如图所示。关于24小时内待测深度水体中生物光合作用和有氧呼吸的情况是()A．24小时内待测深度水体中有氧呼吸消耗的氧气量是vmol/瓶B．24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是kmol/瓶C．24小时内待测深度水体中生物有氧呼吸消耗的氧气量是(k－v)mol/瓶D．24小时内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量是(k－v)mol/瓶D[根据题意知，a瓶生物在黑暗条件下，仅能进行呼吸作用，24h内待测深度水体中生物进行有氧呼吸消耗的氧气量为(w－v)mol/瓶；b瓶生物在光照条件下，24h内氧气的增加量为(k－w)mol/瓶，即瓶内生物24h内积累的氧气量(净光合量)为(k－w)mol/瓶，故24h内待测深度水体中生物光合作用产生的氧气量＝呼吸消耗的氧气量＋净光合量＝(w－v)mol/瓶＋(k－w)mol/瓶＝(k－v)mol/瓶。综上所述，D正确。]4．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，并采用热水或石蜡烫伤叶柄基部阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6h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6h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量；MB表示6h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。_____________________________________________________________________________________________________________________。[解析]叶片A部分遮光，虽不能进行光合作用，但仍可照常进行呼吸作用。叶片B部分不做处理，既能进行光合作用，又可以进行呼吸作用。分析题意可知，MB表示6h后叶片初始质量＋光合作用有机物的总产量－呼吸作用有机物的消耗量，MA表示6h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量，则MB－MA就是光合作用6h有机物的总产量(B叶片被截取部分在6h内光合作用合成的有机物总量)。由此可计算真光合速率，即M值除以时间再除以面积。将从测定叶片的相对应部分切割的等面积叶片分为A、B两组，A组立即烘干称重，B组在暗处保存一段时间后再烘干称重，由A、B两组的干重差可计算出叶片的呼吸速率。[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6h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为A、B两组，A组立即烘干称重，B组在暗处保存一段时间后再烘干称重，由A、B两组的干重差可计算出叶片的呼吸速率考点3大学教材链接——植物的光呼吸，C3、C4植物和CAM植物1．光呼吸在固定二氧化碳的反应中，催化二氧化碳与1,5­二磷酸核酮糖结合的酶是核酮糖二磷酸羧化/氧化酶。这种酶不仅能催化二氧化碳与二磷酸核酮糖的反应，还能催化氧气与二磷酸核酮糖的反应，生成3­磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸。3­磷酸甘油酸参加糖类的合成，磷酸乙醇酸可转化成甘氨酸或通过其他代谢途径释放出二氧化碳。上述过程，即植物消耗氧气，将二磷酸核酮糖转化成二氧化碳的过程，称作光呼吸。在光呼吸中，没有ATP或NADPH的生成，是一个消耗能量的过程。科学家尝试利用基因工程改造核酮糖二磷酸羧化/氧化酶的基因，希望使其成为没有光呼吸作用的酶。2．C3植物、C4植物和CAM植物对于小麦、水稻等大多数绿色植物来说，在暗反应阶段，一个二氧化碳被一个五碳化合物(C5)固定以后，形成的是两个三碳化合物(C3)。但是，科学家在研究玉米、甘蔗等原产在热带地区绿色植物的光合作用时发现，在这类绿色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先转移到含有四个碳原子的有机物(C4)中，然后才转移到C3中。科学家将这类植物叫作C4植物，将其固定二氧化碳的途径，叫作C4途径；将仅有C3参与二氧化碳固定的植物叫作C3植物，将其固定二氧化碳的途径，叫作C3途径。上文中介绍的二氧化碳的固定过程即为C4途径。下面详细介绍C4途径。在C4植物中，叶片中构成维管束鞘的细胞中的叶绿体以C3途径固定二氧化碳，而在叶肉细胞中主要为C4途径。维管束鞘的细胞呼吸放出的二氧化碳可以被叶肉细胞通过C4途径来固定，其过程如下图：C4途径的生物学意义在于，热带植物为了防止水分过多蒸发，常常关闭叶片上的气孔，这样空气中的二氧化碳不易进入细胞。这时，C4植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的二氧化碳进行光合作用。这是因为C4途径中能够固定二氧化碳的那种酶对二氧化碳有很高的亲和力，使叶肉细胞能有效地固定和浓缩二氧化碳，供维管束鞘细胞内叶绿体中的C3途径利用。许多起源于热带的植物，如景天科、仙人掌科、凤梨科、兰科等植物多具肉质茎、叶，叶片表面有较厚的角质层，叶肉细胞有很大的液泡，从形态结构上对高温、干旱有很强的适应性。同时，这类植物在进化中还发展了特殊的碳固定代谢途径——景天酸代谢(CAM)途径。该途径具有两套羧化固定CO2的系统，这与C4植物很类似，但不同的是CAM植物没有明显的维管束鞘细胞，两类酶都存在于叶肉细胞中，是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的。1．(2021·潍坊一模)光呼吸是O2/CO2偏高时与光合作用同时发生的生理过程，是经长期进化形成的适应机制。光呼吸和暗反应关系密切，机理如图所示。下列叙述错误的是()A．光呼吸可保证CO2不足时，暗反应仍能正常进行B．光合作用的光反应强于暗反应容易导致光呼吸发生C．光呼吸过程虽消耗有机物，但不产生ATPD．抑制光呼吸能大幅度提高光合作用强度D[在环境中CO2不足时，植物通过光呼吸产生CO2，供暗反应进行，A项正确；光合作用的光反应强于暗反应时，O2/CO2偏高，产生过多的NADPH和ATP，光呼吸容易进行，B项正确；从过程图看出光呼吸过程消耗了C5，消耗ATP，不产生ATP，C项正确；抑制光呼吸能够减少有机物的消耗，但不能大幅度提高光合作用强度，D项错误。]2．(2021·山东等级考)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。向水稻叶面喷施不同浓度的光呼吸抑制剂SoBS溶液，相应的光合作用强度和光呼吸强度见下表。光合作用强度用固定的CO2量表示，SoBS溶液处理对叶片呼吸作用的影响忽略不计。(1)光呼吸中C5与O2结合的反应发生在叶绿体的__________中。正常进行光合作用的水稻，突然停止光照，叶片CO2释放量先增加后降低，CO2释放量增加的原因是___________________________________________________________________________________________________________________________。(2)与未喷施SoBS溶液相比，喷施100mg/LSoBS溶液的水稻叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度________(填“高”或“低”)，据表分析，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)光呼吸会消耗光合作用过程中的有机物，农业生产中可通过适当抑制光呼吸以增加作物产量。为探究SoBS溶液利于增产的最适喷施浓度，据表分析，应在________mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。[解析](1)C5位于叶绿体基质中，则O2与C5结合发生的场所在叶绿体基质中。突然停止光照，则光反应产生的ATP、NADPH减少，暗反应消耗的C5减少，C5与O2结合增加，产生的CO2增多。(2)叶片吸收和放出CO2量相等时所需的光照强度即为光补偿点，与对照相比，喷施100mg/LSoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加，释放量减少，此时，在更低的光照强度下，两者即可相等。(3)光呼吸会消耗有机物，但光呼吸会释放CO2，补充光合作用的原料，适当抑制光呼吸可以增加作物产量，由表可知，在SoBS溶液浓度为200mg/L时光合作用强度与光呼吸强度差值最大，即光合产量最大，为了进一步探究最适喷施浓度，应在100～300mg/L之间再设置多个浓度梯度进一步进行实验。[答案](1)基质光照停止，产生的ATP、NADPH减少，暗反应消耗的C5减少，C5与O2结合增加，产生的CO2增多(2)低喷施SoBS溶液后，光合作用固定的CO2增加，光呼吸释放的CO2减少，即叶片的CO2吸收量增加，释放量减少，此时，在更低的光照强度下，两者即可相等(3)100～3003．(2021·全国乙卷)生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题：(1)白天叶肉细胞产生ATP的场所有_______________。光合作用所需的CO2来源于苹果酸脱羧和______释放的CO2。(2)气孔白天关闭、晚上打开是这类植物适应干旱环境的一种方式，这种方式既能防止________________，又能保证__________正常进行。(3)若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式(简要写出实验思想和预期结果)。_______________________________________________________________________________________________________________________________________。[解析](1)白天植物的叶肉细胞同时进行光合作用和呼吸作用，光合作用过程中产生ATP的场所是叶绿体，呼吸作用过程中产生ATP的场所是细胞质基质和线粒体。据题干信息可知，白天储存在液泡中的苹果酸脱羧释放出CO2用于光合作用，同时叶肉细胞也进行有氧呼吸，有氧呼吸释放出来的CO2也可用于光合作用。(2)干旱的环境中，白天气孔关闭可以降低蒸腾作用，避免植物细胞过度失水；夜间气孔打开吸收CO2，通过生成苹果酸储存在液泡中，白天苹果酸脱羧释放的CO2为光合作用的进行提供原料，保证了光合作用的正常进行。(3)本实验的目的是验证“植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式”，根据题干信息“晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中”推断，苹果酸的存在导致细胞液呈酸性，白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放CO2，苹果酸分解释放出CO2后，使得细胞液的pH升高或趋向于呈中性，则实验的自变量为时间，因变量是细胞液的pH，可通过检测白天和夜晚的叶肉细胞中细胞液的pH验证其CO2固定方式。[答案](1)叶绿体、细胞质基质、线粒体有氧呼吸(2)蒸腾作用过强导致植物失水光合作用(3)实验思路：取若干长势相同的植物甲，平均分为A、B两组；将A组置于干旱条件下培养，B组置于水分充足的条件下培养；一段时间后，分别测定两组植物甲白天和夜晚液泡中的pH。预期结果：B组液泡中的pH白天和夜晚无明显变化，A组液泡中的pH夜晚明显低于白天4．(2021·石家庄模拟)不同植物的光合作用过程有所不同，图1是三种不同类型植物的CO2同化方式示意图，图2表示生活在不同地区的上述三种植物在晴朗夏季的CO2吸收速率日变化曲线。已知玉米叶肉细胞叶绿体中固定CO2的酶对CO2的亲和力高于水稻，请据图分析并回答：图1图2(1)吸收光能的色素分布在叶绿体________上。以光合色素的________为纵坐标，以波长为横坐标，所得曲线就是光合色素的吸收光谱。(2)图1水稻、玉米和景天科植物中，最适应炎热干旱环境的植