当前位置:文档之家 > 高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座

专题五光合作用

[竞赛要求]

1.光合作用的概念及其重大意义

2.光合作用的场所和光合色素

3.光合作用的全过程(光系统I和光系统II)

4.C3和C4植物的比较(光呼吸)

5.外界条件对光合作用的影响(饱和点、补偿点)

6.光合作用的原理在农业生产中的应用

[知识梳理]

一、光合作用概述

光合作用是指绿色植物吸收阳光的能量,同化二氧化碳和水,制造有机物质并释放氧气的过程。

1.光合作用的重要性可以概括为把无机物变成有机物、蓄积太阳能量和环境保护为三方面。

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

应注意吸收光谱只说明光合色素吸收的光段,不能进一步说明这些被吸收的光段在光合作用中的效率,要了解各被吸收光段的效率还需研究光合作用的作用光谱,即不同波长光作用下的光合效率称为作用光谱。

荧光现象:叶绿素溶液在透射光下呈绿色,而在反射光下呈红色的现象。

磷光现象:叶绿素在去掉光源后,还能继续辐射出极微弱的红光(用精密仪器测知)的现象。

3.光合作用的发现

●17世纪,van Helmont,将2.3kg的小柳树种在90.8kg干土中,雨水浇5年后,小柳树

重76.7kg,而土仅减少57g。因此,他认为植物是从水中取得所需的物质。

●1771年,Joseph Priestley,密闭容器中蜡烛燃烧污染了空气,使放于其中的小鼠窒息;

若在密闭容器中放入一支薄荷,小鼠生命就可得到挽救。他的结论是,植物能净化空气。

1779年,Jan Ingenhousz ,确定植物净化空气是依赖于光的。 ●

1782年,J.Senebier ,证明植物在照光时吸收CO 2并释放O 2。 ●

1804年,N.T.De Saussure 发现,植物光合作用后增加的重量大于吸收CO 2和释放O 2所引起的重量变化,他认为是由于水参与了光合作用。 ●

1864年,J.Sachs 观察到照光的叶绿体中有淀粉的积累,显然这是由光合作用产生的葡萄糖合成的。

20世纪30年代,von Niel 提出光合作用的通式:

● 1937年,R. Hill 用离体叶绿体培养

证明,光合作用放出的O 2,来自

H 2O 。将光合作用分为两个阶段:第一阶段为光诱导的电子传递以及水的光解和O 2的

释放(又称希尔反应);这一阶段之后才是CO 2的还原和有机物的合成。

1940年代,Ruben 等用18O 同位素示踪,更进一步证明光合作用放出的O 2,来自H 2O

二、光合作用的过程

1.光反应和暗反应

根据需光与否,可笼统的将光合作用分为两个反应――光反应和暗反应。光反应发生水的光解、O 2的释放和A TP 及NADPH (还原辅酶II )的生成。反应场所是叶绿体的类囊体膜中,需要光。暗反应利用光反应形成的A TP 和NADPH ,将CO 2还原为糖。反应场所是叶绿体基质中,不需光。从能量转变角度来看,光合作用可分为下列3大步骤:光能的吸收、传递和转换过程(通过原初反应完成);电能转化为活跃的化学能过程(通过电子传递和光合磷酸化完成);活跃的化学能转变为稳定的化学能过程(通过碳同化完成)。前两个步骤属于光反应,第三个步骤属于暗反应。

(1)光能的吸收、传递和转换

①原初反应:为光合作用最初的反应,它包括光合色素对光能的吸收、传递以及将光能

转换为电能的具体过程(图5-1)。

H 2O+A AH 2+1/2O 2 6CO 2+2H 2O (C 6H 12O 6)+ 6H 2O +6O 2 6CO 2+6H 2O C 6H 12O 6+6O 2 光 绿色细胞 CO 2+2H 2A (CH 2O)+2A+H 2O

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

图5-1 原初反应图解

②参加原初反应的色素

光合色素按功能可分为两类:一类具有吸收和传递光能的作用,包括绝大多数的叶绿素a,以及全部的叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素;另一类是少数处于特殊状态的叶绿素a,这种叶绿素a能够捕获光能,并将受光能激发的电子传送给相邻的电子受体。在类囊体膜中,上述色素并非散乱地分布着,而是与各种蛋白质结合成复合物,共同形成称做光系统的大型复合物(图5-2)。

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

图7-2 光系统示意图

光系统:由光合色素组成的特殊功能单位。每一系统包含250-400个叶绿素和其他色素分子。分光系统I和光系统II,2个光系统之间有电子传递链相连接。

光系统I(PSI):作用中心色素为P700,P700被激发后,把电子供给Fd。

光系统II(PSII):作用中心色素为P680,P680被激发后,电子供给pheo(去镁叶绿素),并与水裂解放氧相连。

③原初反应的基本过程:D·P·A →D·P*·A →D·P+·A-→D+·P·A-

D·P·A为光系统或反应中心

D onor(原初电子供体)

P igment (作用中心色素)

A cceptor (原初电子受体)

(2)电能转化为活跃的化学能

①水的光解:H2O是光合作用中O2来源,也是光合电子的最终供体。

水光解的反应:2H2O→O2+4H++4e-

②光合电子传递链(光合链)

概念:光合链是指定位在光合膜上的、一系列互相衔接的电子传递体组成的电子传递的总轨道。

由于各电子传递体具不同的氧化还原电位,负值越大代表还原势越强,正值越大代表氧化势越强,据此排列呈“Z”形,又称为“Z方案”(图5-3)。

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

图5-3 “Z方案”

③光合电子传递的类型:非环式电子传递;环式电子传递;假环式电子传递。

④光合磷酸化

光合磷酸化的概念:叶绿体在光下把无机磷酸和ADP转化为A TP,形成高能磷酸键的过程。光合磷酸化与光合电子传递相偶联,同样分为三种类型:即非环式光合磷酸化;环式光合磷酸化;假环式光合磷酸化。

光合磷酸化的机理:化学渗透学说,即在光合电子传递体中,PQ经穿梭在传递电子的同时,把膜外基质中的H+转运至类囊体膜内;PSⅡ光解水时在膜内释放H+;PSⅠ引起NADP+的还原时,进一步引起膜外H+浓度降低。这样膜内外存在H+浓度差(ΔpH),同时膜内外电荷呈现“内正外负”,引起电位差(Δ)。ΔpH和Δ合称质子动力势。H+顺着浓度梯度返回膜外时释放能量,在A TP酶催化下,偶联A TP合成。

(3)活跃的化学能转变为稳定的化学能

①碳同化:植物利用光反应中形成的NADPH和A TP将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程,称为CO2同化或碳同化。

②碳同化的途径:

A)卡尔文循环(又叫C3途径):CO2的受体是一种戊糖(核酮糖二磷酸,RuBP),故又称为还原戊糖磷酸途径(RPPP)。二氧化碳被固定形成的最初产物是一种三碳化合物(3-磷酸甘油酸),故称为C3途径。是卡尔文等在50年代提出的,故称为卡尔文循环(The Calvin cycle)。

卡尔文循环具有合成淀粉等有机物的能力,是所有植物光合碳同化的基本途径,大致可

分为三个阶段,即羧化阶段、还原阶段和再生阶段。

C3途径的总反应式:

3CO2+5H2O+3RuBP+9A TP+6NADPH→PGAld+6NADP++9ADP+9Pi 可见,要产生1molPGAld(磷酸丙糖分子)需要消耗3mol CO2,9mol A TP和6mol

NADPH。

B)C4途径(又叫Hatch-Slack途径):有些起源于热带的植物,如甘蔗、玉米等,除了和其它植物一样具有卡尔文循环以外,还存在一条固定CO2的途径。按C4途径固定CO2的植物称为C4植物。现已知被子植物中有20多个科近2000种植物中存在C4途径。

C3和C4叶的结构的不同:绿色植物的叶片中有由导管和筛管等构成的维管束,围绕着维管束的一圈薄壁细胞叫做维管束鞘细胞,C3植物叶片中的维管束鞘细胞不含叶绿体,维管束鞘以外的叶肉细胞排列疏松,但都含有叶绿体(图5-4)。

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

图5-4 C3植物叶片

C4植物的叶片中,围绕着维管束的是呈“花环型”的两圈细胞:里面的一圈是维管束鞘细胞,外面的一圈是一部分叶肉细胞。C4植物中构成维管束鞘的细胞比较大,里面含有没有基粒的叶绿体,这种叶绿体不仅数量比较多,而且个体比较大,叶肉细胞则含有正常的叶绿体。(图5-5)

图5-5 C4植物叶片

固定CO2的最初产物是四碳二羧酸(草酰乙酸),故称为C4-二羧酸途径(C4-dicarboxylic

acid pathway),简称C4途径。也叫Hatch-Slack途径。

C4循环和C3循环的关系见图5-6。

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

图5-6 C4循环和C3循环的关系

C4途径中的反应基本上可分为:

①羧化反应在叶肉细胞中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)与HCO3~在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)催化下形成草酰乙酸(OAA);

②还原或转氨作用OAA被还原为苹果酸(Mal),或经转氨作用形成天冬氨酸(Asp);

③脱羧反应C4酸通过胞间连丝移动到BSC,在BSC中释放CO2,CO2由C3途径同化;

④底物再生脱羧形成的C3酸从BSC运回叶肉细胞并再生出CO2受体PEP。

C4植物具较高光合速率的因素有:

①C4植物的叶肉细胞中的PEPC对底物HCO3~的亲和力极高,细胞中的HCO3~浓度一般不成为PEPC固定CO2的限制因素;

②C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制,使得BSC中有高浓度的CO2,从而促进Rubisco的羧化反应,降低了光呼吸,且光呼吸释放的CO2又易被再固定;

③高光强又可推动电子传递与光合磷酸化,产生更多的同化力,以满足C4植物PCA循环对A TP的额外需求;

④鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束,从而避免了光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。

植物多,也可以说这个“CO2泵”是要由A TP来开动的,但是C4植物同化CO2消耗的能量比C

故在光强及温度较低的情况下,其光合效率还低于C3植物。可见C4途径是植物光合碳同化对热带环境的一种适应方式。

C)景天科酸代谢途径(CAM):干旱地区的景天科、仙人掌科、菠萝等植物有一个特殊的CO2同化方式。晚上气孔开放,吸进CO2,再PEP羧化酶作用下,与PEP结合,形成OAA,进一步还原为苹果酸,积累于液泡中。白天气孔关闭,液泡中的苹果酸便运到胞质溶胶,在依赖NADP苹果酸酶作用下,氧化脱羧,放出CO2,参与卡尔文循环,形成淀粉等。这类植物体内白天糖分含量高,而夜间有机酸含量高。具有这种有机酸合成日变化类型的光合碳代谢称为景天科酸代谢。

植物的光和碳同化途径具有多样性,这也反映了植物对生态环境多样性的适应。但是C3途径是最基本、最普遍的途径,也只有该途径才可以生成碳水化合物,C4和CAM途径都是C3途径的辅助形式,只能起固定、运转、浓缩CO2的作用,单独不能形成淀粉等碳水化合物。

(4)光呼吸

光呼吸:植物绿色细胞在光下吸收O

2、释放CO

2

的过程称为光呼吸。一般生活细胞的

呼吸在光暗条件下都可以进行,对光照没有特殊要求,可称为暗呼吸。光呼吸与暗呼吸在呼吸底物、代谢途径以及光呼吸速率等方面均不相同。

光呼吸的全过程需要由叶绿体、过氧化物酶体和线粒体三种细胞器协同完成。光呼吸的底物是乙醇酸,O2的吸收发生在叶绿体和过氧化物酶体,CO2的释放发生在线粒体。光呼吸时,每氧化2分子乙醇酸放出1分子CO2,碳素损失>25%。

光呼吸的意义:①消除乙醇酸的毒害:乙醇酸的产生在代谢中是不可避免的。光呼吸可消除乙醇酸的毒害作用。②维持C3途径的运转:在叶片气孔关闭或外界CO2浓度降低时,光呼吸释放的CO2能被C3途径再利用,以维持C3途径的运转。③防止强光对光合机构的破坏:在强光下,光反应中形成的同化力会超过暗反应的需要,叶绿体中NADPH/NADP+的比值增高,最终电子受体NADP+不足,由光激发的高能电子会传递给O2,形成超氧阴离子自由基O2~,O2~对光合机构具有伤害作用,而光呼吸可消耗过剩的同化力,减少O2~的形成,从而保护光合机构。④氮代谢的补充:光呼吸代谢中涉及多种氨基酸(甘氨酸、丝氨酸等)的形成和转化过程,对绿色细胞的氮代谢是一个补充。

光合作用主要反应概要

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

2.影响光合作用的因素

(1)外部因素:

A)光强

光补偿点:当叶片的光合速率与呼吸速率相等(净光合速率为零)时的光照强度,称为光补偿点。

光饱和点:在一定条件下,使光合速率达到最大时的光照强度,称为光饱和点。

出现光饱和点的原因:强光下暗反应跟不上光反应从而限制了光合速率。

一般来说,光补偿点高的植物其光饱和点也高。如,草本植物的光补偿点与光饱和点>木本植物;阳生植物的>阴生植物;C4植物的>C3植物。光补偿点低的植物较耐荫,适于和光补偿点高的植物间作。如豆类与玉米间作。

光抑制:光能过剩导致光合效率降低的现象称为光合作用的光抑制。

光抑制现象在自然条件下是经常发生的,因为晴天中午的光强往往超过植物的光饱和

点,如果强光与其它不良环境(如高温、低温、干旱等)同时存在,光抑制现象更为严重。

B)光质

对光合作用有效的是可见光。红光下,光合效率高;蓝紫光次之;绿光的效果最差。红光有利于碳水化合物的形成,蓝紫光有利于蛋白的形成。

CO2补偿点:当光合速率与呼吸速率相等时,外界环境中的CO2浓度即为补偿点。凡是能提高CO2浓度差和减少阻力的因素都可促进CO2流通从而提高光合速率。如改善作物群体结构,加强通风,增施CO2肥料等。

CO2饱和点:当光合速率开始达到最大值(Pm)时的CO2浓度被称为CO2饱和点。

凡是能提高CO2浓度差和减少阻力的因素都可促进CO2流通从而提高光合速率。如改善作物群体结构,加强通风,增施CO2肥料等。

光合作用有温度三基点,即光合作用的最低、最适和最高温度。低温抑制光合的原因主要是,低温导致膜脂相变,叶绿体超微结构破坏以及酶的钝化。高温会引起膜脂和酶蛋白的热变性,加强光呼吸和暗呼吸。在一定温度范围内,昼夜温差大,有利于光合产物积累。

用于光合作用的水只占植物吸收水分的1%,因此,水分缺乏主要是间接的影响光合作用,具体地说,缺水使气孔关闭,影响二氧化碳进入叶内;使光合产物输出减慢;使光合机构受损;光合面积减少。水分过多也会影响光合作用。土壤水分过多时,通气状况不良,根系活力下降,间接影响光合作用。

直接或间接影响光合作用。N、P、S、Mg是叶绿体结构中组成叶绿素、蛋白质和片层膜的成分;Cu、Fe是电子传递体的重要成分;Pi是A TP、NADPH以及光合碳还原循环中许多中间产物的成分;Mn、Cl是光合放氧的必需因子;K、Ca对气孔开闭和同化物运输具有调节作用。因此,农业生产中合理施肥的增产作用,是靠调节植物的光合作用而间接实现的。

引起光合“午睡”的原因:大气干旱和土壤干旱(引起气孔导度下降);CO2浓度降低,光合产物淀粉等来不及运走,反馈抑制光合作用。光呼吸增强。光合“午休”造成的损失可达光合生产的30%以上。

(2)内部因素:

①不同部位

以叶龄为例:幼叶净光合速率低,需要功能叶片输入同化物;叶片全展后,光合速率达最大值(叶片光合速率维持较高水平的时期,称为功能期);叶片衰老后,光合速率下降。

②不同生育期

一般都以营养生长期为最强,到生长末期就下降。

3.提高光能利用率的途径

光能利用率:单位土地面积上植物光合作用积累的有机物所含的化学能,占同一期间入射光能量的百分率称为光能利用率。作物光能利用率很低,即便高产田也只有1%~2%。

(1)延长光合时间:措施有提高复种指数、延长生育期(如防止功能叶的早衰)、补充人工光照等。

(2)增加光合面积:措施有合理密植、改变株型等。

(3)增强光合作用效率:措施主要有增加二氧化碳浓度、降低光呼吸等。

三、光合作用与人类社会

(1)人类活动引起全球变暖

(2)臭氧层的保护

[典型例题]

例1.从海的不同深度采集到4种类型的浮游植物(I、

Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)。测定了每种类型的光合作用,如右图所示。

在最深处采集到的是哪种类型的浮游植物?()

A、Ⅰ

B、Ⅱ

C、Ⅲ

D、Ⅳ

答案:D

解析:深海处的光强是极其微弱的,长期生活在深海处的浮游植物必然已适应这种环境,因此在较低光强下即达到光饱和点,而在较高光强下其光合速率仍然是很低的。

例2.取相同体积的培养液,分别放入透光瓶和不透光瓶中,分别加入等量的小球藻,置于相同温度及光照下培养一段时间后,测得透光瓶中产生氧气的量为0.3g,不透光瓶中消耗氧气的量为0.lg,则透光瓶中小球藻光合作用制造氧气的量是()

A、0.4g

B、0.3g

C、0.2g

D、0.lg

答案:A

解析:此题中透光瓶中产生氧气的量应为光合作用制造的减去呼吸作用消耗的之后净剩的氧气的量,不透光瓶消耗氧气的量应为瓶中小球藻呼吸作用消耗氧气的量,在其他条件相同时,透光瓶中小球藻光合作用制造氧气的量应为净剩的氧气量加上呼吸作用消耗的氧气量。

例3.在严寒的冬天,利用温室进行蔬菜种植,可以提高经济效益,但需要调节好温室的光照、湿度、气体和温度,以提高产品的质量和品质。下列措施及方法正确的是()

①由于温室内外温差大,在温室薄膜(或玻璃)上结成一层水膜,要及时擦干,以防止透光率降低②适当地增加光照,以补充冬季阳光的不足③尽量增加空气湿度,以降低植物的蒸腾作用④向温室内定期施放二氧化碳气体,以增加光合作用强度⑤向温室内定期施放氧气,以降低呼吸作用强度⑥冬季温室内温度尽量维持恒定

A、①②④

B、①②④⑥

C、②③⑤⑥

D、③④⑥

答案:A

解析:此题考察了影响光合作用的外界因素,主要有光照、二氧化碳、温度、水分、矿质元素及光合速率的日变化。正确的:①水膜不擦干会导致透光率降低影响光合作用。②适当地增加光照,可以补充冬季阳光的不足。④补充二氧化碳可以增加光合作用强度。错误的:③温室内由于植物的蒸腾作用,空气湿度本来就相对较高,所以不用再增加空气湿度来降低植物的蒸腾作用了。⑤光合作用就会释放氧气,不需要额外施放氧气来降低呼吸作用强度了。⑥为了多积累有机物,温度应控制为日温高夜温低。

例4.对植物进行暗处理的暗室内,安装的安全灯最好是选用()

A、红光灯

B、绿光灯

C、白炽灯

D、黄色灯

答案:B

解析:植物叶片中光合色素对绿光吸收、利用最少,即绿光对植物的光合作用不起作用。因此绿光也称为生理无效光。

例5.在光合环运转正常后,突然降低环境中的CO2浓度,则光合环的中间产物含量会发

生哪种瞬时变化?()

A、RuBP量突然升高而PGA量突然降低

B、PGA量突然升高而RuBP量突然降低

C、RuBP和PGA均突然升高

D、RuBP和PGA的量均突然降低

答案:A

解析:RuBP是碳同化过程中直接与CO2结合的物质,而且RuBP在光合环中是不断再生的,当突然降低环境中的CO2浓度后,用于结合CO2而消耗的RuBP少了,但RuBP再生过程仍然进行,因此此时RuBP量突然升高;PGA是碳同化过程中产生的三碳化合物,当环境中的CO2浓度降低后,同化的CO2少了,产生必然也就少了。

例6.连接光反应和暗反应的关键物质是()

A、ADP和NADPH

B、A TP和NADPH

C、CO2和C3

D、丙酮酸和〔H〕答案:B

解析:光反应是植物体将光能转化为活跃的化学能贮存在A TP和NADPH中,用于暗反应中CO2的同化和还原,A TP和NADPH合称同化力,因此A TP和NADPH是将光暗反应联系起来的关键物质。

例7.如果做一个实验测定藻类植物是否完成光反应,最好是检验其()

A、葡萄糖的形成

B、淀粉的形成

C、氧气的释放

D、CO2的吸收量

答案:C

解析:葡萄糖的形成、淀粉的形成和CO2的吸收这三个现象都是要暗反应完成后才能发生,如果光反应完成了,必然要发生水的光解放出氧气。而且在水中测定氧气的释放这一现象是很方便的,而其它三项的的测定较复杂。

例8.C4植物同C3植物相比()

A、C4植物能在弱光下生长更好

B、C4植物能在低C02浓度下生长更好

C、C4植物利用高光合速率补偿高光呼吸带来的损失

D、C4植物光合速率受高温抑制相对较小

答案:B D

解析:在生理上,C4植物一般比C3植物具有较强的光合作用,这是与C4植物的PEP羧化酶活性较强,光呼吸很弱有关。PEP羧化酶对CO2的Km值(米氏常数)是7μmol,核酮糖二磷酸(RuBP)羧化酶的Km值是450μmol。前者比后者对CO2的亲和力大得很多。试验证明,C4植物的PEP羧化酶的活性比C3植物的强60倍,因此,C4植物的光合速率比C3植物快许多,尤其是在二氧化碳浓度低的环境下,相差更是悬殊。由于C4植物能利用低浓度的CO2,当外界干旱气孔关闭时,C4植物就能利用细胞间隙里的含量低的CO2,继续生长,C3植物就没有这种本领。所以,在干旱环境中,C4植物生长比C3植物好。C4之所以光呼吸很弱是因为(1)C4植物的光呼吸代谢是发生在维管束鞘细胞(BSC)中,由于C4途径的脱羧使BSC中CO2浓度提高,这就促进了Rubisco 的羧化反应,抑制了Rubisco 的加氧反应。(2)由于C4植物叶肉细胞中的PEP羧化酶对CO2的亲和力高,即使BSC中有光呼吸的CO2释放,CO2在未跑出叶片前也会被叶肉细胞中的PEP羧化酶再固定。

C4植物适应于高光强,光饱和点明显高于C3植物。相应的C4植物全年干物质积累量近40吨/ 公顷,C3植物约22吨/公顷。C4植物光合作用的最适温度30-47℃,C3植物适宜温度在20-30℃之间,C4植物的高光合速率是付出代价的,它在同样的条件下要比C3植物消

耗更多的能量,C4植物每同化一分子CO2要比C3植物多消耗2A TP(腺苷三磷酸),在能量上是不经济的。所以,在光照强、气温高的地区,C4植物生长比C3植物好;而在光强、温度较低的地区,C4植物的光合效率就不一定比C3植物高。

例9.右图表示在75 %的全日照下两种植物的叶片在不同CO2浓度下CO2净吸收速度,下列叙述正确的是:()

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

A、植物A是C4植物,因为它在高CO2

浓度下有较高的CO2净吸收速度

B、在CO2净吸收速度等于0时,A和

B没有光合作用和呼吸作用

C、如果光照强度保持恒定,CO2浓度

进一步增加,则A的CO2净吸收速度将达

到饱和点

D、在CO2浓度为200×10-6时,B比A

有较高的光能利用效率

答案:C D

解析:A、在高CO2浓度下有较高的CO2净吸收速度并不能说明该植物是C4植物,C4植物具有特殊的叶片结构,即具有花环结构,可作为判定C4植物的一个标准,另外C4植物一般应具有较低的CO2补偿点和较高的CO2羧化效率。B、在CO2净吸收速度等于0时,植物的光合作用吸收CO2量与呼吸作用放出CO2量相等,是一种动态平衡。C、如果光照强度保持恒定,CO2浓度进一步增加,从图可看出植物A的CO2交换速度将为一恒定值,此时的CO2浓度称为该植物的CO2饱和点。D、从图可看出,相同光强下,在CO2浓度为200×10-6时,植物B比植物A的CO2交换速度快,因此B比A有较高的光能利用效率。

例10.在昼夜周期条件下,维持植物正常生命活动所需要的最低光照强度应()

A、大于光补偿点

B、等于光补偿点

C、小于光补偿点

D、大于或等于光补偿点

答案:A

解析:光合作用吸收的CO2与呼吸作用释放的CO2相等时,即表观光合速率为零时的光照强度称为光补偿点。当光照强度低于光补偿点时,呼吸作用释放的CO2就会大于光合作用吸收的CO2的量,这样植物体内有机物就会被慢慢消耗尽。因此,要维持植物正常生命活动,光照强度应大于光补偿点。

例11.下面有关光系统II的论述是正确的? ()

A、在受光激发后,作用中心色素分子P680失去电子

B、P700是P680的氧化态形式

C、每一个吸收的光子可以导致两个电子传递

D、放氧过程产生的质子可以用于A TP合成

E、光系统II仅在叶绿体存在

答案:A D

解析:B、P700是光系统I的作用中心色素分子,代表光能吸收高峰在700nm。P680是光系统II的作用中心色素分子,代表光能吸收高峰在680nm。C、每1个吸收的光子导致1个电子传递。D、根据化学渗透学说,放氧过程产生的质子在传递过程中造成类囊体膜内外质子梯度,可以作为驱动A TP合成的动力。E、红藻、蓝藻等原核生物中没有叶绿体,但仍有光系统II。

例12.气孔的开闭影响绿色植物的哪些生理活动?()

A、光合作用

B、离子转运

C、呼吸作用

D、水的转运

答案:ABCD

解析:气孔是水分散失的主要通道,如果气孔关闭就会使水分散失减少,从而影响水分的吸收和转运。离子是溶于水中进行转运的,由于水分散失减少也会使离子转运受影响。气孔也是气体交换的主要通道,气孔开闭影响CO2进出叶片,从而影响光合作用和呼吸作用。

例13.为探究光合作用放出了氧气,某同学设计了下图所示的实验装置。

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

(1)请说明他该如何检验试管内收集到的是否是氧气?

(2)能利用这套装置探究植物光合作用最有效的波长吗?请写出实验思路。

(3)再给你一只秒表、蒸馏水、小苏打、天平,同样利用这套装置,你能探究二氧化碳对光合作用效率的影响吗?

(4)设计一个实验数据记录表:

答案:(1)让氧气排出试管里所有的水,小心地取下试管,用手指堵住试管口。用火柴点燃一根薄木条。然后吹灭木条上的火。移开堵在试管口上的手指,迅速地把灼热的木条伸到试管里,如果木条能够复燃,证明产生的是氧气。

(2)设置同样的装置若干套,分别置于不同波长的光下,用秒表记录试管中所收集到的气体达到刻度线所需的时间,时间最短者,光合作用的效率最高。依次类推,可测出不同波长的光对植物光合作用于的影响大小。

(3)写出方法步骤:通过添加不同量的小苏打,使蒸馏水碳酸化,如可以用浓度是O.50%、O.75%、1.0%、2.0%和3.0%的溶液进行比较实验。通过测量试管中所收集到的气体达到刻度线所需的时间长短,可以测量不同二氧化碳浓度对光合作用的速率的影响。注意:一定要设立一个对照组,这样就可以计算出所收集的气体中,有多少是苏打水中的二氧化碳。解析:(1)收集气体的方法有排水法和排空气法,根据氧气的物理性质,应采用排水法。一般用使带火星的木条复燃的方法检验氧气。

(2)探究植物光合作用最有效的波长可用不同波长的光照射此装置。检测指标可以是产生相同氧气量的时间长短,也可以是测量相同时间产生氧气量的多少。

(3)用小苏打来调节蒸馏水中CO2的含量,通过测量试管中所收集到的气体达到刻度线所需的时间长短,可以测量不同二氧化碳浓度对光合作用的速率的影响。以上两个实验设计都应设计对照组。

例14.将某一绿色植物置于密闭的玻璃容器中,在一定条件下不给光照,CO2的含量每小时增加8mg;如给予充足的光照后,容器内CO2的含量每小时减少36mg,据实验测定上述光照条件下光合作用每小时能产生葡萄糖30mg。请回答:

(1)上述条件下,比较光照时呼吸作用的强度与黑暗时呼吸作用强度是。

(2)在光照时该植物每小时葡萄糖的净生产量是。

(3)若一昼夜中先光照4小时,接着处置在黑暗的情况下20小时,该植物体内有机物含量的变化是。

答案:(1)相同(2)24.5454(3)减少

解析:(1)影响呼吸作用的因素有温度、氧和二氧化碳等,光照不是影响因素,因此给光与否不影响呼吸作用。(2)呼吸每小时产生CO2 8mg,即消耗葡萄糖180×8/6×44≈5.4545。光合每小时产生葡萄糖30mg,净产生葡萄糖量则应为30-5.4545≈24.5454(3)从题中可知,光下每小时光合消耗36mg CO2,光照4小时则消耗144mg。黑暗下每小时呼吸放出8mg CO2,20小时则放出160mg,因此植物体内有机物含量应减少。

例15.有人设计了一个研究光合作用的实验,实验前在溶液中加入破损了外膜和内膜的叶绿体及一定量的ATP和NADPH然后分连续的Ⅰ、Ⅱ两个阶段,按图示的控制条件进行实验请回答:

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

(1)根据光合作用原理,在上图中绘出糖类合成速率的两条可能的曲线。

(2)除糖以外Ⅰ阶段积累的物质是ADP,Pi,NADP,三碳化合物。Ⅱ阶段积累的物质是A TP,NADPH,五碳化合物。

答案:(1)

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

(2)ADP,Pi,NADP,三碳化合物A TP,NADPH,五碳化合物

解析:(1)由于加入了A TP和NADPH,在黑暗有CO2的情况下,会进行暗反应的全过程,所以糖的合成速率升高,但一段时间后,外加的A TP和NADPH被消耗掉,暗反应停止,糖类合成速率下降至停止。再给以光照,又会产生A TP和NADPH,利用前一阶段剩余的CO2使暗反应继续进行,糖的合成速率再次升高。随着CO2被消耗,糖类合成速率再次下降。(2)Ⅰ阶段A TP被消耗产生ADP和Pi,NADPH被利用产生NADP,CO2和C5化合物结合产生三碳化合物。Ⅱ阶段光反应产生A TP和NADPH,由于糖类合成时再生出五碳化合物,而此时缺乏CO2,再生出的五碳化合物不能与CO2结合,从而导致五碳化合物积累。

[智能训练]

1.光强度增加,光合作用速率不再增加时,外界的光强度为()

A.光补偿点B.CO2饱和点C.CO2补偿点D.光饱和点

2.植物光反应的最终电子受体和氧化磷酸化中最初电子受体依次是()A.NADP+和NAD+B.H2O和O2

C.FAD+和FMN D.NAD+和FAD+

3.下列论述哪项是对的?()A.暗反应在叶绿体的基粒片层上进行

B.光反应在叶绿体的基质中进行

C.暗反应不需要光,但在阳光下也能进行

D.暗反应只有在黑暗中才能进行

4.光合作用的过程中,二氧化碳被〔H〕还原,这个〔H〕来源于()A.固定CO2的五碳化合物B.水被光解后产生的

C.体内有机物氧化产生的D.吸收大气中的氢

5.C4植物维管束鞘细胞的特点()A.细胞较大、叶绿体没有基粒B.细胞较大、叶绿体有基粒

C.细胞较小、叶绿体没有基粒D.细胞较小、叶绿体有基粒

6.下列对叶绿素分子功能的叙述,正确的是()A.吸收光能B.传递光能C.储藏光能D.转化光能

7.一个光合单位包括()A.天线色素系统和反应中心色素分子 B.A TP酶复合物和电子传递体

C.电子传递体和NADPH D.A TP酶复合物和P700

8.光合作用过程中在叶绿体类囊体腔中完成的反应步骤有:()A.三碳化合物的形成B.水的光解和氧的释放

C.NADP的还原D.A TP的生成

9.所有进行光合放氧的生物都具有哪种色素()A.叶绿素a,叶绿素b B.叶绿素£L,叶绿素c

C.叶绿素a,类胡萝卜素D.叶绿素a,藻胆素

10.以下哪些参与光合磷酸化:()A.P680,P700,P450 B.P680,P700,去镁叶绿素

C.P680,P700,叶绿素b D.细胞色素c,细胞色素b,NADH 11.哪些特征使得景天科植物适应在炎热荒漠环境生长? ()A.维管束的排列方式特异B.具有C4代谢途径

C.白天气体交换少D.储存酸性物质可以抗虫。

12.光合作用中C02固定和同化一定需要:()A.Rubisco B.NADPH C.A TP D.放出氧气

13.一个分子自叶绿体类囊体内到达线粒体基质必须穿过的层膜数是()A.3 B.5 C.7 D.9

14.一种C3植物和一种C4植物在光下一起放在一个密封的玻璃钟罩中,在这个钟罩内CO2浓度如何变化?()A.没有变化 B.增加C.下降到C4植物的CO2补偿点

D.下降到C3植物的CO2补偿点E.下降到C4植物的CO2补偿点以下15.光合产物主要以什么形式运出叶绿体()A.丙酮酸B.磷酸丙糖C.蔗糖D.G–6–P

16.叶绿体中所含的脂除叶绿体色素外主要是()A.真脂B.磷脂C.糖脂D.硫脂

17.将叶绿素提取液放到直射光下,则可观察到()

A.反射光为绿色,透射光是红色B.反射光是红色,透射光是绿色

C.反射光和透射光都是红色D.反射光和透射光都是绿色

18.光合作用中蔗糖的形成部位()A.叶绿体间质B.叶绿体类囊体 C.细胞质D.叶绿体膜

19.维持植物正常生长所需的最低日光强度()A.等于光补偿点B.大于光补偿点

C.小于光补偿点D.与日光强度无关

20.类胡萝卜素属于萜类化合物中的()A.倍半萜B.三萜C.双萜D.四萜

21.Hill反应的表达方式是()A.CO2+2H2O*?

?光,叶绿体(CH2O)+H2O+O2*

?→

?

B.CO2+2H2A?→

?光(CH2O) +A2+H2O

C.ADP+P?

?光,光合膜A TP+H2O

?→

?

D.2H2O+2A?

?光,叶绿体2AH2+O2

?

?→

22.“高能磷酸键”中的“高能”是指该键()A.健能高B.活化能高

C.水解释放的自由能高D.A,B和C都是

23.绿色植物在白天光合作用旺盛时,多数气孔常开放着,随着光合作用的减弱,越来越多的气孔逐渐关闭。影响气孔开闭的主要内因是保卫细胞内部的()A.氧气的浓度B.淀粉的浓度 C.水解酶的浓度D.酸碱度(pH值)24.C3植物光合作用时,CO2的受体是()A.磷酸甘油醛 B.磷酸甘油酸 C.丙酮酸D.l,5–二磷酸核酮糖25.阳光经三棱镜分光照在丝状绿藻上,在哪些频率范围内聚集着最多的好气性细菌

()A.红光和蓝紫光B.黄光和蓝紫光

C.红光和绿光D.蓝紫光和绿光

26.下列各个作用中,哪些是与光合作用的光反应相联系的?()

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

NADP NADPH2A TP ADP CO2C6H12O6

激发的叶绿素叶绿素

A.1、3、6 B.2、4、5 C.2、3、6 D.1、4、6

27.在光合作用中,光化学反应的中心分子是()A.全部叶绿素a的各种状态分子B.P700和P680的叶绿素a的分子

C.与光合作用有关的酶分子D.全部叶绿素和类胡萝卜素分子

28.正常状态下,光合作用过程中,限制光合作用速度的步骤是()A.光能的吸收 B.高能电子的传递 C.CO2的固定D.以上都是

29.天气晴朗的早晨,摘取一植物叶片甲,于100℃下烘干,称其重量;黄昏时,再取同一株上着生位置与叶片形状都与甲基本相同的叶片乙,同样处理,称其重量,其结果是

()A.甲叶片比乙叶片重B.乙叶片比甲叶片重

C.两叶片重量相等D.不一定

30.光合磷酸化过程发生的场所是()

A.叶绿体内膜上B.叶绿体基质中

C.类囊体膜的外侧D.类囊体膜的内侧

31.下列哪组色素是叶绿体和有色体都含有的?()A.叶绿素和类胡萝卜素B.叶绿素和叶黄素

C.叶绿素和胡萝卜素D.叶黄素和胡萝卜素

32.绿色植物的保卫细胞与表皮细胞在生理功能上的主要区别是()A.含有叶绿体B.能进行光合作用

C.能进行呼吸作用D.能吸水、失水

33.下列生理活动中,不产生A TP的是()A.暗反应B.有氧呼吸C.光反应D.无氧呼吸

34.影响光合作用速度的环境因素主要是()A.水分B.阳光C.温度D.空气

35.光合电子传递链位于()A.叶绿体内膜上B.叶绿体类囊体膜上

C.叶绿体间质中D.叶绿体类囊体膜内

36.下列有关光合作用的叙述,哪项不正确? ()A.能进行光合作用的生物细胞都含有叶绿素

B.能进行光合作用的植物细胞都含有叶绿体

C.植物细胞进行光合作用时,将水分解产生氧分子的反应是在叶绿体的基质中进行D.植物细胞进行光合作用时,固定二氧化碳生成糖分子的反应是在叶绿体的基质中进行37.某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合作用速率,做了如图所示实验。在叶柄基部作环剥处理(仅限制叶片有机物的输入和输出),于不同时间分别在同一叶片上陆续取下面积为1cm2的叶圆片烘干后称其重量,测得叶片的叶绿体光合作用速率=(3y一2z一x)/6 g·cm-2.H-1(不考虑取叶圆片后对叶生理活动的影响和温度微小变化对叶生理活动的影响)。则M处的实验条件是()

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

A.下午4时后将整个实验装置遮光3小时

B.下午4时后将整个实验装置遮光6小时

C.下午4时后在阳光下照射1小时

D.晚上8时后在无光下放置3小时

38.在光合作用研究过程中,科学实验陆续发现以下事实:()

(1)在人们对光合作用的认识达到一定程度时,以式子:6CO2+6H2O C6H12O6+

O2表示光合作用

(2)后来,希尔从细胞中分离出叶绿体,并发现在没有CO2时,给予叶绿体光照,就能

放出O2,同时使电子受体还原。希尔反应式是:H2O + 氧化态电子受体还原态电子受体+ 1/2 O2

(3)在希尔反应基础上,Amon又发现在光下的叶绿体,不供给CO2时,既积累NADPH

也积累A TP;进一步,撤去光照,供给CO2,发现NADPH和A TP被消耗,并有有机物(CH2O)产生

希尔反应和Amon的发现应该使当时的人们对光合作用有以下哪些方面的新认识?

A.光合作用释放的O2来自H2O而不是CO2

B.H2O被裂解的时候,发生了由H2O最后到NADP的电子传递,这个过程需要光C.希尔反应与CO2合成有机物是2个可以区分开来的过程

D.光合作用需要光的过程为CO2合成有机物过程提供还原剂NADPH和A TP 39.根据叶绿体色素的有关知识回答下列问题:

(1)叶绿素与类胡萝卜素的比值一般是,叶绿素 a / b的比值是:C3植物为,C4植物为;而叶黄素/ 胡萝卜素为。

(2)阴生植物的叶绿素a/b比值,比阳生植物,高山植物的叶绿素a / b比值比平原地区植物,同一植物在强光条件下,其叶绿素a / b比值比弱光条件下的,同一叶片随着叶龄的增加,叫绿素a/b比值亦随之。

40.植物的光合作用强度,可以用单位面积在单位时间内吸收二氧化碳量的测定来表示。这样测定的光合作用强度实际存在的光合作用强度。

41.下图是光合作用过程实验图解:

请分析实验结果

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

(1)装置C中产生含碳有机物是由于在装置A中结构〔〕进行了反应,为在结构〔②〕中进行的反应提供了

等物质的缘故。

(2)装置B中不能产生含14C的有机物,主要是结构①中缺少

和。

(3)此实验说明叶绿体是进行光合作用完整的单位。

(4)适当增强,增加,以及适当提高温度可提高,从而提高含碳的有机物的产量,并能产生较多的。

42.右图是简化了的光反应图解,据图回答下列问题:

高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座_专题五_光合作用

(1)指出右图中A~D物质的名称:

A.H2O B.PSⅡ(P680)

C.PSⅠ(P700)D.NADP+(氧化型辅酶Ⅱ)

(2)电子的最终供体是,电子最终受体

是。

(3)进行光化学反应的场所是图中的和。

(4)E过程称为光合磷酸化。

(5)D物质的重要特点是。

(6)从能量角度看光反应的实质是。

答案:1.D 2.A3.C 4.B 5.A6.ABD 7.A

8.B 9.C 10.B 11.BC 12.ABC 13.B 14.C

15.B 16.B 17.B 18.C 19.B 20.D 21.D

22.C 23.D 24.D 25.A26.D 27.B 28.C 29.B 30.C 31.D 32.B 33.A34.BC 35.B 36.C 37.A38.ACD 39.(1)3:1;3:1;4:1;2:1 (2)低;高;高;降低

40.小于

41.(1)①叶绿体片层膜上;光;②基质;暗;NADPH(或A TP)(2)固定CO2的C5(或RuBP);有关酶(3)结构(4)光照;光合速率;O2

42.(1)A(2)H2O NADP+(3)B C (4)非循环式

(5)易与H结合,又易与H分离(6)光能→电能→活跃的化学能