届高考生物一轮复习 第三单元第10讲光合作用的探究历程与基本过程.docx

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届高考生物一轮复习第三单元第10讲光合作用的探究历程与基本过程

第10讲　光合作用的探究历程与基本过程

　1．光合作用的基本过程（Ⅱ）　2．实验：

叶绿体色素的提取和分离

　捕获光能的色素和结构

1．叶绿体中色素的种类和颜色

色素的种类

色素的颜色

叶绿素

叶绿素a

蓝绿色

叶绿素b

黄绿色

类胡萝卜素

叶黄素

黄色

胡萝卜素

橙黄色

2．叶绿体中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：

可见光的波长范围大约是390～760nm，叶绿体中的色素只吸收可见光，对红外光和紫外光等不吸收。

3．叶绿体

（1）结构示意图

（2）结构

↓决定

（3）功能：

进行光合作用的场所

↓证明

（4）恩格尔曼的实验：

好氧细菌只分布于叶绿体被光束照射的部位

1．（必修1P99色素与吸收光谱改编）如图表示叶绿体中色素吸收光能的情况。

据图判断，以下说法不正确的是（　　）

A．由图可知，类胡萝卜素主要吸收400～500nm波长的光

B．用450nm波长的光比600nm波长的光更有利于提高光合作用强度

C．由550nm波长的光转为670nm波长的光后，叶绿体中C3的量增加

D．土壤中缺乏镁时，植物对420～470nm波长的光的利用量显著减少

答案：

C

2．（深入追问）如图是恩格尔曼实验装置改装示意图，光线先通过三棱镜再通过叶绿体色素提取液后照射玻片上的水绵，一段时间后，水绵周围好氧细菌分布无显著变化，请分析其原因。

提示：

三棱镜将光分为七色光，叶绿体色素提取液主要吸收红光和蓝紫光，故透过三棱镜再通过叶绿体色素提取液后照射到水绵上的光，没有红光和蓝紫光，使水绵不同部位的光合作用变化不大，产生氧气的量大致相同，因此水绵周围好氧细菌分布无显著变化。

1．恩格尔曼实验方法的巧妙之处

（1）巧选实验材料：

选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；用好氧细菌可以确定释放氧气多的部位。

（2）妙法排除干扰因素：

没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。

（3）巧妙设计对照实验：

用极细的光束照射，叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对照实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果。

2．影响叶绿素合成的“三大”因素

（1）光照：

光是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，叶片会发黄。

（2）温度：

温度可影响与叶绿素合成有关酶的活性，影响叶绿素的合成，低温时叶绿素容易被破坏，使叶子变黄。

（3）矿质元素：

叶绿素合成的必需元素，如氮、镁等；叶绿素合成的辅助成分，如缺铁后某些酶无法合成，叶绿素不能合成，叶子会变黄。

【感知考题】

（2016·高考全国卷甲，4）关于高等植物叶绿体中色素的叙述，错误的是（　　）

A．叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中

B．构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收

C．通常，红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用

D．黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由叶绿素合成受阻引起的

[解析]　叶绿体中的色素易溶于有机溶剂如乙醇、丙酮中，A项叙述正确；镁是叶绿素的组成元素，植物中的矿质元素主要由根从土壤中吸收，B项叙述正确；一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光（波长范围大约是390～760nm），而红外光是波长大于760nm的光，紫外光是波长小于390nm的光，C项叙述错误；黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻，从而使叶片表现出类胡萝卜素的黄色，D项叙述正确。

[答案]　C

红枫在生长季节叶片呈红色的原因是因为液泡中含有花青素。

高分点拨——类题通法

色素与叶片颜色的分析方法

正常绿色

正常叶片的叶绿素和类胡萝卜素的比例为3∶1，且对绿光吸收最少，所以正常叶片总是呈现绿色

叶色变黄

寒冷时，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而变黄

叶色变红

秋天降温时，植物体为了适应寒冷环境，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶片呈现红色

【跟进题组】

1．（2017·河南五校联考）将可见光通过三棱镜后照射到绿色植物叶片的某种色素提取液上，可获得该吸收光谱（图中的数字表示光的波长，单位为nm，暗带表示溶液吸收该波长的光后形成的光谱）。

则该色素是（　　）

A．类胡萝卜素　　　　　B．叶黄素

C．胡萝卜素D．叶绿素a

解析：

选D。

叶绿体中的色素包括叶绿素和类胡萝卜素。

其中，叶绿素包括叶绿素a和叶绿素b，主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素，主要吸收蓝紫光。

从图中可以看出，该色素主要吸收了红光和蓝紫光，所以该色素为叶绿素a。

2．（2017·河北石家庄二中模拟）图甲为叶绿体结构模式图，图乙是从图甲中取出的部分结构放大图。

下列相关叙述正确的是（　　）

A．图乙所示结构取自图甲中的①或③

B．与光合作用有关的酶全部分布在图乙所示结构上

C．图乙所示的结构是产生[H]并消耗ATP的场所

D．叶绿体以图甲中③的形式扩大膜的表面积

解析：

选D。

图乙所示结构含有光合色素，光合色素只分布在叶绿体的类囊体薄膜上，对应于图甲中的③，A项错误；在叶绿体的基质（图甲④）中，也分布有与光合作用有关的酶，B项错误；消耗ATP的场所是叶绿体的基质（图甲④），C项错误；③是叶绿体的类囊体，叶绿体以图甲③的形式扩大膜的表面积，D项正确。

　光合作用的探究历程及过程

1．光合作用的探究历程[连一连]

2．光合作用的过程

根据上图分析光反应与暗反应的区别

过程

项目

Ⅰ．光反应

Ⅱ．暗反应

场所

叶绿体类囊体薄膜

叶绿体基质

条件

光照、色素和酶

多种酶、有无光都可以

原料

H2O、NADP＋、ADP、Pi

[H]、ATP、CO2

产物

[H]、ATP、O2

（CH2O）、ADP、Pi

物质变化

①水的光解：

H2O

[H]＋O2

②ATP的合成：

ADP＋Pi

ATP

①CO2的固定：

CO2＋C5

2C3

②C3的还原：

2C3

（CH2O）＋C5

能量变化

光能→ATP中活跃化学能

ATP中活跃化学能→有机物中稳定的化学能

光合作用过程的“一、二、三、四”

1．（必修1P106基础题T6改编）如图是利用小球藻进行光合作用实验的示意图，关于甲物质和乙物质的相对分子质量的比较，正确的是（　　）

A．甲＞乙　　　　　　　B．甲＜乙

C．甲＝乙D．无法确定

答案：

B

2．（深入追问）根据提供的物质和能量，利用箭头构建光反应和暗反应的关系模型（光能、[H]、ATP、ADP＋Pi、H2O、O2、CO2、（CH2O））。

提示：

突破1　高考常考的2个光合作用探究历程的经典实验分析

（1）萨克斯实验

①对照类型为自身对照，自变量为光的有无，因变量为颜色变化（有无淀粉生成），实验组是遮光处理组，对照组为曝光处理组。

②该实验的关键是要进行饥饿处理，以使叶片中的营养物质消耗掉，增强实验的说服力。

（2）鲁宾和卡门实验

①应用同位素标记法追踪CO2和H2O中的O元素在光合作用中的转移途径。

②此实验设置了对照，自变量是标记物质即H

O和C18O2，因变量是释放的O2有无放射性。

突破2　光合作用过程中元素转移途径分析

完成下面的光合作用总反应式，分析各元素去向

（1）光合作用中氢元素的转移途径

3H2O

（C3H2O）

（2）光合作用过程中O元素的转移途径

H

O

18O2

C18O2

C3

（CH

O）＋H

O

（3）光合作用过程中C元素的转移途径

14CO2

14C3

（14CH2O）

（1）光反应阶段产生的ATP只能用于暗反应阶段C3的还原，不能用于其他生命活动。

（2）光反应必须在光照下进行，暗反应有光、无光均能进行。

（3）暗反应停止时，使ATP和[H]积累，光反应也要停止。

（4）[H]既不是H＋，也不是H，而是还原型辅酶Ⅱ（NADPH），它是由氧化型辅酶Ⅱ（NADP＋）与电子和质子（H＋）结合形成的。

【感知考题】

如图为绿色植物光合作用过程示意图（图中a～g为物质，①～⑥为反应过程，物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示）。

请回答以下问题：

（1）图中a物质主要吸收________________，绿色植物能利用它将光能转换成

________________________________________________________________________。

（2）图中①表示水分的吸收，③表示____________，c为__________，该物质只能用于暗反应，不能用于其他生命活动。

（3）③和④进行的场所分别是____________________________。

通过[H]和ATP将光反应和暗反应联系起来。

（4）当g突然停止供应，则细胞内e的含量会________；当光照突然增强，细胞内e的含量会________。

[答案]　

（1）红光和蓝紫光　ATP中活跃的化学能

（2）水的光解　ATP　（3）叶绿体类囊体薄膜、叶绿体基质　（4）上升　上升

（1）若停止CO2的供应，在适宜的光照条件下，叶绿体产生的O2量不会（“会”或“不会”）基本稳定。

（2）若突然提高CO2的浓度，叶绿体内的[H]、ATP将减少。

高分点拨——类题通法

模型法分析C5、C3等物质含量的变化

当外界条件改变时，光合作用中C3、C5及ATP和ADP含量变化可以采用如图分析：

（1）停止光照时：

ATP↓，ADP↑，C3↑，C5↓，分析如下：

（2）CO2供应停止时：

C5↑，C3↓，ATP↑，ADP↓，分析如下：

【跟进题组】

命题1　光合作用探究历程的实验分析

1．（2017·合肥高三质检）在光合作用的探究历程中，德国科学家梅耶根据能量转化和守恒定律，提出了植物在进行光合作用时能量转化的假说。

以下哪项科学实验能证明这一假说（　　）

A．英格豪斯证明植物在光照条件下可以改变空气成分的实验

B．恩格尔曼证明光合作用的有效光是红光和蓝紫光的实验

C．萨克斯证明绿叶在光下进行光合作用可以产生淀粉的实验

D．鲁宾和卡门证明光合作用产生的氧气来自水的实验

解析：

选C。

萨克斯证明绿叶在光下可以产生淀粉，说明了光能转化为稳定的化学能，其他实验均无法证明光合作用时能量转化的假说，故C项正确。

命题2　光合作用过程分析

2．（2017·青岛质检）如图表示发生在叶绿体中的相关代谢过程，其中①②表示相关过程，A、B表示两种气体物质，下列说法错误的是（　　）

A．过程①表示光反应，过程②的场所是叶绿体基质

B．物质A表示O2，物质B表示CO2

C．过程②能将活跃的化学能转变成稳定的化学能

D．过程②的两个阶段都需要消耗过程①产生的[H]和ATP

解析：

选D。

由题图可知，过程①②分别表示光反应和暗反应，反应场所分别是叶绿体的类囊体薄膜和叶绿体基质。

物质A、B分别表示O2和CO2。

光反应能将光能转变成活跃的化学能储存在ATP中，暗反应能将活跃的化学能转变成稳定的化学能储存在葡萄糖中。

过程②包括CO2的固定和C3的还原两个阶段，其中CO2的固定不需要消耗①过程产生的[H]和ATP。

3．（2017·北京东城模拟）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，结果如表。

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

12种磷酸化糖类

3

60

除上述12种磷酸化糖类外，

还有氨基酸、有机酸等

根据上述实验结果分析，下列叙述不正确的是（　　）

A．本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段

B．每组照光后需将小球藻进行处理使酶失活，才能测定放射性物质分布

C．CO2进入叶绿体后，最初形成的主要物质是12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：

选C。

CO2是光合作用暗反应阶段的原料，A正确；每组照光后将小球藻进行处理使酶失活，其目的是终止相关的反应，这样测定的数据，才能准确反映光照时间内放射性物质的分布，B正确；在光合作用的暗反应过程中，CO2先进行固定，生成三碳化合物，然后是三碳化合物被还原，从表中可以看出，放射性首先出现在3磷酸甘油酸中，C错误；表中信息显示，光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等，D正确。

误区1　认为用光照射光合色素就能发生光反应

[点拨]　叶绿体中的色素具有吸收、传递、转化光能的作用，但发生光反应除色素、光照之外，还需要ADP、Pi、H2O、NADP＋、酶等。

误区2　认为白天植物只进行光合作用

[点拨]　植物在白天时同时进行光合作用和细胞呼吸。

命题3　条件骤变细胞内[H]、ATP、C3、C5等物质的变化

4．（2016·高考天津卷，2）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红光或绿光照射。

下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是（　　）

A．红光，ATP下降

B．红光，未被还原的C3上升

C．绿光，[H]下降

D．绿光，C5上升

解析：

选C。

叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光等可见光，吸收的绿光很少。

将白光改为光照强度相同的红光，光反应增强，叶绿体内产生的ATP和[H]增多，C3的还原增加，导致未被还原的C3减少，故A、B项错误；将白光改为光照强度相同的绿光，光反应减弱，叶绿体内产生的ATP和[H]减少，C3的还原量降低，导致C5减少，故C项正确、D项错误。

5．（原创）如图表示在夏季晴朗的白天植物细胞内C3和C5的相对含量随一种环境因素的改变而变化的情况，下列对这一环境因素的改变的分析，正确的是（　　）

A．突然停止光照

B．突然增加CO2浓度

C．降低环境温度

D．增加光照强度

解析：

选D。

突然停止光照时，[H]和ATP减少，C3被消耗的量减少，故其含量增多，而C5的来源减少，故其含量降低。

突然增加CO2浓度时，合成C3的原料增加，导致C3含量增加。

增加光照强度时，[H]和ATP增多，C3因大量消耗而减少，C5的含量增加。

　结合“新情境”考查光合作用过程

6．如图表示玉米光合作用利用CO2合成（CH2O）的过程，玉米叶肉细胞通过“CO2泵”内的一些化学反应，将空气中的CO2泵入维管束鞘细胞，使维管束鞘细胞积累较高浓度的CO2，以保证（CH2O）的合成顺利进行。

回答下列问题：

（1）图中过程②是________，物质A是________，过程②的进行还需要____________等物质参与，原因是_____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）如果在玉米叶肉细胞中注入某种促进剂使“CO2泵”

的活性升高，则在短时间内，维管束鞘细胞中C5的含量________。

（3）研究发现晴朗的夏季中午光照增强，温度过高，叶片气孔开度下降，作为光合作用原料之一的________减少，而此时玉米光合速率基本不受影响，其原因是玉米

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案：

（1）C3的还原　C3　ATP和[H]　[H]作为还原剂还原C3，ATP提供能量　

（2）降低　（3）CO2　有CO2泵，其能维持维管束鞘细胞内有较高浓度的CO2

　（实验7）绿叶中色素的提取与分离

1．实验原理

（1）提取：

绿叶中的色素能够溶于有机溶剂而不溶于水，可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。

（2）分离：

各种色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢，从而使各种色素相互分离。

2．实验步骤

提取色素：

称取5g的绿叶，剪碎，放入研钵中→加入少量二氧化硅、碳酸钙和10mL无水乙醇→研磨→过滤→收集到试管内并塞严试管口

↓

制备滤纸条：

将干燥的定性滤纸剪成略小于试管长与直径的滤纸条，将滤纸条的一端剪去两角，在距离剪角一端1cm处用铅笔画一条细的横线

↓

画滤液细线：

用毛细吸管吸取少量的滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线，待滤液干后，再画1～2次

↓

分离色素：

将适量的层析液倒入试管中，分离过程如图所示

↓

结果分析：

滤纸条上呈现四条颜色、宽度不同的色素带

色素种类

色素

颜色

色素

含量

溶解度

扩散

速度

a．胡萝卜素

橙黄色

最少

最高

最快

b．叶黄素　

黄色

较少

较高

较快

c．叶绿素a

蓝绿色

最多

较低

较慢

d．叶绿素b

黄绿色

较多

最低

最慢

注意事项及原因分析

过程

注意事项

操作目的

提取色素

（1）

选新鲜绿色的叶片

使滤液中色素含量高

（2）

研磨时加无水乙醇

溶解色素

（3）

加少量SiO2和CaCO3

研磨充分和保护色素

（4）

迅速、充分研磨

防止乙醇过度挥发，充分溶解色素

（5）

盛放滤液的试管管口加棉塞

防止乙醇挥发和色素氧化

分离色素

（1）

滤纸预先干燥处理

使层析液在滤纸上快速扩散

（2）

滤液细线要直、细、匀

使分离出的色素带平整不重叠

（3）

滤液细线干燥后再画一两次

使分离出的色素带清晰分明

（4）

滤液细线不触及层析液

防止色素直接溶解到层析液中

【感知考题】

（2016·高考江苏卷，17）下列用鲜菠菜进行色素提取、分离实验的叙述，正确的是（　　）

A．应该在研磨叶片后立即加入CaCO3，防止酸破坏叶绿素

B．即使菜叶剪碎不够充分，也可以提取出4种光合作用色素

C．为获得10mL提取液，研磨时一次性加入10mL乙醇研磨效果最好

D．层析完毕后应迅速记录结果，否则叶绿素条带会很快随溶剂挥发消失

[解析]　提取色素时，应在研磨前加入CaCO3，防止酸破坏叶绿素，A项错误；菜叶剪碎不够充分，提取的滤液中色素的含量少，分离结果中色素带变窄，但分离得到的色素种类不变，B项正确；在研磨时分次加入10mL乙醇比一次性加入10mL乙醇的效果好，C项错误；层析完毕后应迅速记录结果的原因是叶绿素在光下容易分解，并不是叶绿素随溶剂挥发消失，D项错误。

[答案]　B

（1）如图中①代表新鲜菠菜叶的光合色素纸层析结果，请判断②所示结果最有可能来自秋冬的银杏落叶，还是正常生长的柳树幼叶？

秋冬的银杏落叶。

判断的理由是：

秋冬季节气温降低，叶绿素分子易被破坏，而使银杏的叶子变黄，由于缺少叶绿素a和叶绿素b，所以层析的结果与图②吻合。

（2）如图表示某同学做“绿叶中色素的提取和分离”实验的改进装置。

应将滤液滴在a处（“a处”或“b处”）。

实验结果应会出现四个不同颜色的同心圆，最外层应是橙黄色。

高分点拨——类题通法

绿叶中色素提取与分离实验异常现象分析

（1）收集到的滤液绿色过浅

①未加二氧化硅（石英砂），研磨不充分。

②使用放置数天的叶片，滤液色素（叶绿素）太少。

③一次加入大量的无水乙醇（正确做法：

分次加入少量无水乙醇提取色素）。

④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。

（2）滤纸条色素带重叠：

滤纸条上的滤液细线接触到层析液。

（3）滤纸条看不见色素带

①忘记画滤液细线。

②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。

【跟进题组】

1．（2015·高考江苏卷，21改编）为研究高光强对移栽幼苗光合色素的影响，某同学用乙醇提取叶绿体色素，用石油醚进行纸层析，如图为滤纸层析的结果（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带）。

下列叙述错误的是（　　）

A．强光照导致了该植物叶绿素含量降低

B．类胡萝卜素含量增加有利于该植物抵御强光照

C．色素Ⅲ、Ⅳ吸收光谱的吸收峰波长不同

D．画滤液线时，滤液在点样线上只能画一次

解析：

选D。

题图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ色素条带分别代表胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b。

由题图可知，正常光照与强光照相比，正常光照下叶绿素含量高，A项正确。

强光照条件下，类胡萝卜素含量增加，说明类胡萝卜素含量增加有利于植物抵御强光照，B项正确。

叶绿素a吸收光谱的吸收峰波长约为430nm和660nm，叶绿素b吸收光谱的吸收峰波长约为460nm和640nm，C项正确。

画滤液线时，首先画出一条细线，待滤液干后，再重复画一两次，目的是增加滤液线中的色素含量，层析后获得更清晰的色素条带，D项错误。

2．（原创）回答下列关于“绿叶中色素的提取和分离”实验中的问题：

（1）某同学的操作过程如下：

①将5g新鲜完整的菠菜叶放入研钵中，加入无水乙醇、石英砂、CaCO3以后，迅速研磨；

②用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线处小心均匀地画出一条滤液细线，并连续迅速地重复画1～2次；

③将画好细线的滤纸条插入层析液中，并不断摇晃，以求加快色素在滤纸条上的扩散。

结果实验失败，请指出其错误所在：

①________________________________________________________________________。

②________________________________________________________________________。

③________________________________________________________________________。

（2）某小组利用新鲜菠菜叶进行色素的提取和分离实验的几个同学由于操作不同，出现了以下四种不同的层析结果。

下列分析不合理的是________。

A．甲可能误用蒸馏水做提取液和层析液

B．乙可能是因为研磨时未加入SiO2

C．丙是正确操作得到的理想结果

D．丁可能是因为研磨时未加入CaCO3

（3）秋天，北方树叶大都由绿变黄，其原因是占四种色素总量80%的__________和__________分解，从而显示出__________和__________的颜色。

答案：

（1）①不应用完整叶片，而应去掉叶柄后剪碎

②不应连续迅速地重复画线，而应待干燥后重复画线

③不应摇晃以免层析液没及滤液细线

（2）C

（3）叶绿素a　叶绿素b　胡萝卜素　叶黄素

[核心体系构建]

[填空]　①绿叶中色素的提取和分离

②吸收、传递和转化光能

③6CO2＋12H2O

C6H12O6＋6H2O＋6O2

④光照强度、温度、CO2浓度等

⑤光反应

⑥暗反应

[规范答题必备]

1．光合作用探究历程中的2种同位素

（1）18O：

鲁宾和卡门利用H

O和C18O2证明光合作用释放的氧气来自水。

（2）14C：

卡尔文利用14CO2探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。

2．光合作用的