高考专题光合作用和呼吸作用与碳循环和能量流动Word下载.docx
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秋天，因低温、紫外线强烈等外界因素和叶片衰老等内部因素，叶绿素的合成速度低于分解的速度，叶绿素含量相对减少，而类胡萝卜素分子比较稳定，不易破坏。
所以叶片逐渐呈现类胡萝卜素的颜色——黄色。
至于红叶，是因为秋天降温，体内积累较多的糖分以适应寒冷，体内可溶性糖多了，就形成了较多的花青素，同时秋天叶子内的pH值改变，叶内呈现酸性，使花青素表现出红色。
3．先合作用的过程
光反应：
叶绿体中色素吸收的光能主要用于光合作用的光反应，在光反应阶段主要进行两个反应，一是叶绿素吸收光能后受激发而失去电子后，从水中夺取电子，使水分解，经一系列过程后，生成还原态的氢、NADPH和O2，这个过程为水的光解，方程可简写为：
2H2O
4[H]+O2；
二是将电子传递给NADP+的过程中，将ADP和Pi合成ATP，这个过程称为光合磷酸化过程，方程式可简单表示为：
ADP＋Pi
ATP。
最后电子传递给NADP+形成NADPH。
这2个过程都是在基粒片层结构薄膜上进行的。
光反应的产物共有3种：
［H］、ATP和O2。
其中[H]和ATP是供给暗反应的原料，O2则释放到大气中，或被呼吸作用所利用。
光反应的进行必须依赖于色素吸收的光能，所以必须在光下才能进行。
暗反应：
是在叶绿体的基质中进行的。
进行暗反应必须具备4个基本条件：
CO2、酶、[H]和ATP。
其中[H]和ATP来自光反应，CO2主要来自大气中，酶是叶绿体本身所固有的。
暗反应与光没有直接的关系，只要具备上述4个基本条件，不论有光和无光都能进行。
在暗反应过程中，首先要用五碳化合物（简写为C5，其化学名称为1，5-二磷酸核酮糖，其中有高能磷酸键）固定CO2，并迅速生成2分子三碳化合物（简写为C3，化学名称为3-磷酸甘油酸），然后在NADPH（[H]还原和ATP提供能量下被还原成糖类
，在此过程中还将再生出五碳化合物，所以暗反应是一个循环过程。
五碳化合物的再生也需要光反应提供ATP。
光合作用的意义：
第一、制造有机物，实现巨大的物质转变，将CO2和H2O合成有机物；
第二、转化并储存太阳能；
第三、净化空气，使大气中的O2和CO2含量保持相对稳定；
第四、对生物的进化具有重要作用，在绿色植物出现以前，地球上的大气中并没有氧，只是在距今12亿至30亿年以前，绿色植物在地球上出现并逐渐占有优势后，地球的大气中才逐渐含有氧，从而使地球上其他进行有氧呼吸的生物得以发生和发展。
由于大气中的一部分氧转化为臭氧（O3）。
臭氧在大气上层形成的臭氧层，能够有效地滤去太阳辐射中对生物具有强烈破坏作用的紫外线，从而使水生生物登陆成为可能。
经过长期的生物进化过程，最后才出现广泛分布的自然界的各种动植物。
影响光合作用的因素：
光合作用是在植物有机体的内部和外部的综合条件的适当配合下进行的。
因此内外条件的改变也就一定会影响到光合作用的进程或光合作用强度的改变。
影响光合作用强度的因素主要有光照强度、CO2浓度、温度和矿质营养。
①光照强度：
植物的光合作用强度在一定范围内是随着光照强度的增加，同化CO2的速度也相应增加，但当光照强度达到一定时，光合作用的强度不再随着光照强度的增加而增强。
植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用，当植物在某一光照强度条件下，进行光合作用所吸收的CO2与该温度条件下植物进行呼吸作用所释放的CO2量达到平衡时，这一光照强度就称为光补偿点，这时光合作用强度主要是受光反应产物的限制。
当光照强度增加到一定强度后，植物的光合作用强度不再增加或增加很少时，这一光照强度就称为植物光合作用的光饱和点，此时的光合作用强度是受暗反应系统中酶的活性和CO2浓度的限制见图5-1。
图5-1
光补偿点在不同的植物是不一样的，主要与该植物的呼吸作用强度有关，与温度也有关系。
一般阳生植物的光补偿点比阴生植物高。
光饱和点也是阳生植物高于阴生植物。
所以在栽培农作物时，阳生植物必须种植在阳光充足的条件下才能提高光合作用效率，增加产量；
而阴生植物应当种植在阴湿的条件下，才有利于生长发育，光照强度大，蒸腾作用旺盛，植物体内因失水而不利于其生长发育，如人参、三七、胡椒等的栽培，就必须栽培于阴湿的条件下，才能获得较高的产量。
植物在进行光合作用的同时也在进行着呼吸作用，总光合作用是指植物在光照下制造的有机物的总量（吸收的CO2总量）。
净光合作用是指在光照下制造的有机物总量（或吸收的CO2总量）中扣除掉在这一段时间中植物进行呼吸作用所消耗的有机物（或释放的CO2）后，净增的有机物的量。
②温度：
植物所有的生活过程都受温度的影响，因为在一定的温度范围内，提高温度可以提高酶的活性，加快反应速度。
光合作用也不例外，在一定的温度范围内，在正常的光照强度下，提高温度会促进光合作用的进行。
但提高温度也会促进呼吸作用。
如图5-2所示。
所以植物净光合作用的最适温度不一定就是植物体内酶的最适温度。
图5-2
③CO2浓度：
CO2是植物进行光合作用的原料，只有当环境中的CO2达到一定浓度时，植物才能进行光合作用。
植物能够进行光合作用的最低CO2浓度称为CO2补偿点，即在此CO2浓度条件下，植物通过光合作用吸收的CO2与植物呼吸作用释放的CO2相等。
环境中的CO2低于这一浓度，植物的光合作用就会低于呼吸作用，消耗大于积累，长期如此植物就会死亡。
一般来说，在一定的范围内，植物光合作用的强度随CO2浓度的增加而增加，但达到一定浓度后，光合作用强度就不再增加或增加很少，这时的CO2浓度称为CO2的饱和点。
如CO2浓度继续升高，光合作用不但不会增加，反而要下降，甚至引起植物CO2中毒而影响植物正常的生长发育。
如图5-3所示。
图5-3
④必需矿质元素的供应：
绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素。
如氮是催化光合作用过程各种酶以及NADP+和ATP的重要组成成分，磷也是NADP+和ATP的重要组成成分。
科学家发现，用磷脂酶将离体叶绿体膜结构上的磷脂水解掉后，在原料和条件都具备的情况下，这些叶绿体的光合作用过程明显受到阻碍，可见磷在维持叶绿体膜的结构和功能上起着重要的作用。
又如绿色植物通过光合作用合成糖类，以及将糖类运输到块根、块茎和种子等器官中，都需要钾。
再如镁是叶绿体的重要组成成分，没有镁就不能合成叶绿素。
等等。
4．C3植物和C4植物
C3植物：
是指在光合作用的暗反应过程中，一个CO2被一个五碳化合物（1，5-二磷酸核酮糖，简称RuBP）固定后形成两个三碳化合物（3-碳酸甘油酸），即CO2被固定后最先形成的化合物中含有三个碳原子，所以称为C3植物。
C3植物叶片的结构特点是：
叶绿体只存在于叶肉细胞中，维管束鞘细胞中没有叶绿体，整个光合作用过程都是在叶肉细胞里进行，光合产物便只积累在叶肉细胞中。
C4植物：
是指在光合作用的暗反应过程中，一个C2被—个含有三个碳原子的化合物（磷酸烯醇式丙酮酸）固定后首先形成含四个碳原子的有机酸（草酰乙酸），所以称为C4植物。
C4植物叶片的结构特点是：
围绕着维管束的是呈“花环型”的两圈细胞，里面一圈是维管束鞘细胞，细胞较大，里面的叶绿体不含基粒。
外圈的叶肉细胞相对小一些，细胞中含有具有基粒的叶绿体。
通过C4途径固定CO2的过程是在叶肉细胞中进行的。
C4中的C转移到C3途径是在维管束鞘细胞中进行的，光合作用的暗反应过程也是在维管束鞘细胞中进行。
光合作用的产生也主要积累在维管束鞘细胞中。
C4植物具有两条固定CO2的途径，即C3途径和C4途径。
C4植物通常分布在热带地区，光合作用效率较C3植物高，对CO2的利用率也较C3植物高，所以具有C4途径的农作物的产量比具有C3途径的农作物产量要高，如玉米就属于C4植物。
二、呼吸作用
1．呼吸作用的过程
呼吸作用是指在生物体内氧化分解有机物并且释放能量的过程。
呼吸作用分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。
有氧呼吸的过程分为3个阶段，熟记这3个阶段是容易的，但要弄清其中所隐藏的知识点是有一定难度的。
但必须弄楚以下几点：
①CO2是在第二阶段产生的，是丙酮酸和水反应生成的，CO2中的氧原子一个来自葡萄糖，另一个来自水。
这个过程在线粒体基质中进行；
②O2参与反应的阶段是第三阶段，即[H]和氧结合生成水，所以呼吸作用产物水中的氧来自O2，这个过程在内膜上进行；
③有氧呼吸过程中的反应物和生成物中都有水，反应物中的水在第二阶段参与和丙酮酸的反应，生成物中的水是有氧呼吸第三阶段[H]和02结合生成的；
④有氧呼吸过程中3个阶段进行的场所分别是：
第一阶段在细胞质基质中进行；
第二阶段是在线粒体基质中进行；
第三阶段是在线粒体内膜进行。
无氧呼吸是指不需要氧气条件下的呼吸作用。
由于没有氧气，所以氧化分解有机物是不彻底的。
在无氧呼吸的产物中绝对没有水生成，如在呼吸作用的产物中有水生成，一定是进行了有氧呼吸。
无氧呼吸过程分为2个阶段：
第一阶段和有氧呼吸是公共的途径，即一分子葡萄糖被分解成2分子丙酮酸；
第二阶段是利用第一阶段产生的[H]（NADPH）还原丙酮酸，在不同的植物细胞中，由于酶的不同，丙酮酸被还原的产物也是不同的，有的是乳酸（如马铃薯、玉米的胚等），有的是酒精（如苹果、陆生植物的根细胞等）。
无氧呼吸过程中的2个阶段均在细胞质基质中进行的。
由于陆生植物的根细胞无氧呼吸的产物是酒精，所以陆生植物不能长期遭受水淹。
但对一些水生植物或湿生植物（如水稻等）在结构和生理上都有一些适应性的特征，如根、茎、叶中有气腔，根的无氧呼吸产物不是酒精而是一些其他的、毒性较小的有机小分子物质。
2．有氧呼吸和无氧呼吸的比较
有氧呼吸和无氧呼吸的公共途径是呼吸作用第一阶段（糖酵解），是在细胞质基质中进行。
在没有氧气的条件下，糖酵解过程的产物丙酮酸被[H]还原成酒精和CO2或乳酸等，在不同的生物体中由于酶的不同，其还原的产物也不同。
在有氧气的条件下，丙酮酸进入线粒体继续被氧化分解。
如图5-4。
由于无氧呼吸中有机物的氧化是不彻底的，释放的能量很少，转移到ATP中的能量就更少，还有大量的能量贮藏在不彻底的氧化产物中，如酒精乳酸等。
有氧呼吸在有氧气存在的条件下能把糖类等有机物彻底氧化分解成CO2和H2O，把有机物中的能量全部释放出来，约有44％的能量转移到ATP中。
所以有氧呼吸为生命活动提供的能量比无氧呼吸多得多，在进化过程中绝大部分生物选择了有氧呼吸方式，但为了适应不利的环境条件还保留了无氧呼吸方式。
图5-4
呼吸作用与光合作用的联系：
呼吸作用是新陈代谢过程一项最基本的生命活动，它是为生命活动的各项具体过程提供能量（ATP）。
所以呼吸作用在一切生物的生命活动过程是一刻都不能停止的，呼吸作用的停止意味着生命的结束。
光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢，一切生物的生命活动都直接或间接地依赖于光合作用制造的有机物和固定的太阳能。
呼吸作用和光合作用表面看起来是2个相反的过程，但这是2个不同的生理过程，在整个新陈代谢过程中的作用是不同的。
在植物体内，这2个过程是互相联系，互相制约的。
光合作用的产物是呼吸作用的原料，呼吸作用的产物也是光合作用的原料；
光合作用的光反应过程产生的ATP主要用于暗反应，很少用于植物体的其他生命活动过程，呼吸作用过程释放的能量主要是用于植物体的各项生命活动过程，包括光合作用产物的运输。
如图5-5。
图5-5
影响呼吸作用的因素：
①温度：
温度能影响呼吸作用，主要是影响呼吸酶的活性。
一般而言，在一定的温度范围内，呼吸强度随着温度的升高而增强。
如图5-6曲线所示。
图5-6
根据温度对呼吸强度的影响原理，在生产实践上贮藏蔬菜和水果时应该降低温度，以减少呼吸消耗。
温度降低的幅度以不破坏植物组织为标准，否则细胞受损，对病原微生物的抵抗力大减，也易腐烂损坏。
②氧气：
氧气是植物正常呼吸的重要因子，氧气不足直接影响呼吸速度，也影响到呼吸的性质。
绿色植物在完全缺氧条件下就进行无氧呼吸，大多数陆生植物根尖细胞的无氧呼吸产物是酒精和CO2。
酒精对细胞有毒害作用，所以大多数陆生植物不能长期忍受无氧呼吸。
在低氧条件下通常无氧呼吸与有氧呼吸都能发生，氧气的存在对无氧呼吸起抑制作用。
有氧呼吸强度随氧浓度的增加而增强。
关于无氧呼吸和有氧呼吸与氧浓度之间的关系用图5-7的曲线来表示。
微生物的无氧呼吸称为发酵，氧气对发酵有抑制作用。
图5-7的曲线也适用于对微生物的无氧呼吸和有氧呼吸的描述。
根据氧对呼吸作用影响的原理，在贮存蔬菜、水果时就降低氧的浓度，一般降到无氧呼吸的消失点，如降得太低，植物组织就进行无氧呼吸，无氧呼吸的产物（如酒精）往往对细胞有一定的毒害作用，而影响蔬菜、水果的贮藏保鲜。
图5-7
③CO2：
增加CO2的浓度对呼吸作用有明显的抑制效应。
这可以从化学平衡的角度得到解释。
据此原理，在蔬菜和水果的保鲜中，增加CO2的浓度也具有良好的保鲜效果。
三、碳循环和能量流动
1．碳循环
碳在无机环境中存在形式是碳酸盐和CO2；
在生物群落中的存在形式是含碳有机物；
在生物群落与无机环境之间的循环是以CO2的形式进行的，在生物群落内部的流动是以有机物的形式进行的。
CO2进入生物群落是通过自养型生物完成的，主要是绿色植物的光合作用。
生物群落中的有机碳是通过生物的呼吸作用和微生物的分解作用将有机物彻底分解成CO2和H2O，归还到无机环境中。
在正常情况下，碳的循环是平衡的，但由于现代工业的迅速发展，人类大量燃烧煤、石油和天然气等化石燃料，使地层中经过千百万年积存的已经脱离碳循环的碳元素，在很短的时间释放出来，就打破了生物圈中碳循环的平衡，使大气中的CO2含量迅速增加，进而导致气温上升，形成“温室效应”。
2．能量流动
能量流动的起点是生产者通过光合作用所固定的太阳能。
流入生态系统的总能量就是生产者通过光合作用所固定的太阳能的总量。
能量流动的渠道是食物链和食物网。
流入一个营养级的能量是指被这个营养级的生物所同化的能量。
如羊吃草，不能说草中的能量都流入了羊体内，流入羊体内的能量应是指草被羊消化吸收后转变成羊自身的组成物质中所含的能量，而未被消化吸收的食物残渣的能量则未进入羊体内，不能算流入羊体内的能量。
一个营养级的生物所同化着的能量一般用于4个方面：
一是呼吸消耗；
二是用于生长、发育和繁殖，也就是贮存在构成有机体的有机物中；
三是死亡的遗体、残落物、排泄物等被分解者分解掉；
四是流入下一个营养级的生物体内。
在生态系统内，能量流动与碳循环是紧密联系在一起的。
能量流动的特点是单向流动和逐级递减。
单向流动：
是指生态系统的能量流动只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面的各个营养级。
一般不能逆向流动。
这是由于动物之间的捕食关系确定的。
如狼捕食羊，但羊不能捕食狼。
逐级递减是指输入到一个营养级的能量不可能百分之百地流入后一个营养级，能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的。
能量在沿食物链传递的平均效率为10％～20％，即一个营养级中的能量只有10％～20％的能量被下一个营养级所利用。
能量金字塔是指将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，按营养级由低到高绘制成的图形成金字塔形，称为能量金字塔。
从能量金字塔可以看出：
在生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中损耗的能量也就越多；
营养级越高，得到的能量也就越少。
在食物链中营养级一般不超过5个，这是由能量流动规律决定的。
研究能量流动规律有利于帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效地流动向对人类最有益的部分。
在农业生态系统中，根据能量流动规律建立的人工生态系统，就是在不破坏生态系统的前提下，使能量更多地流向对人类有益的部分。
【经典例题解析】
例题1下列有关光合作用的叙述中，错误的是（）
A．叶绿体离开叶肉细胞便不能进行光合作用
B．温度降到0℃时依然有植物进行光合作用
C．叶绿素吸收的光能要转移给ADP形成ATP
D．光反应和暗反应都有许多酶参与催化作用
解析A是错的，叶绿体是进行光合作用的基本单位，进行光合作用所需要的色素和全部的酶都在叶绿体中，科学家在研究叶绿体的结构和光合作用过程时都是通过离体叶绿体进行的，离体叶绿体是能够进行光合作用的；
B是对的，植物进行光合作用的最低温度、最适温度和最高温度，在不同的植物是不一样的这与植物的原始地理分布有关，分布在热带地区的植物，植物正常生长发育所需要的温度较高，但在寒冷地区分布的植物，进行光合作用所需的温度就较低，特别是分布在北极圈内的植物和高原植物，是能够在0℃左右的条件下正常生长发育的；
C也是对的，叶绿素吸收光能后，其中的一个电子由基态被激发到激发态而成为高能电子，经传递而离开叶绿体，此时叶绿素分子中就缺失一个电子，叶绿素分子就从水中夺取一个电子，水就被分解，而在电子传递过程中，高能电子中的能量就释放出来用于将ADP和Pi合成ATP。
D是对的，在整个光合作用过程中进行的每一步反应都是需要酶来催化的。
答案A
例题2图5-8所示，某植物上的绿叶经阳光照射24小时后，经脱色并用碘液处理，结果有锡箔覆视部位不呈蓝色，而不被锡箔覆盖的部位呈蓝色。
本实验证明（）
图5-8
①光合作用需要二氧化碳②光合作用需要光③光合作用需要叶绿素④光合作用放出氧气⑤光合作用制造淀粉
A.①②B.③⑤C.②⑤D.①③
解析这是一道关于光合作用的条件、产物的分析题。
光照24小时，叶片裸露的部分进行光合作用，脱色后用碘处理变蓝，说明有淀粉生成，应选⑤；
有锡箔覆盖的位置，因没有光，不能进行光合作用，未产生淀粉，用碘处理不变蓝，说明光合作用需要光，没有光就不能进行光合作用，应选②。
答案C
例题3（1998年上海高考试题）对某植物作如下处理：
（甲）持续光照10秒钟；
（乙）光照5秒后再黑暗处理5秒，连续交替进行20分钟。
若其他条件不变，则在甲、乙两种情况下植株所制造的有机物总量是（）
A.甲多于乙B．甲少于乙C．甲和乙相等D．无法确定
解析光合作用的过程分为光反应和暗反应两个过程，两者在不同的酶的催化作用下独立进行的。
在一般情况下，光反应的速度比暗反应快，光反应的产物ATP和[H]不能被暗反应及时消耗掉，原因是催化暗反应的酶的催化效率和数量都是有限的。
持续光照，光反应产生的大量的[H]和ATP不能及时被暗反应消耗，暗反应限制了光合作用的速度，降低了光能的利用率。
但中间间隔5秒钟无光，有利于充分利用前5秒钟的光反应的产物，从而提高了对光能的利用率。
在光照强度和光照总时间不变的情况下，制造的有机物相对多一些。
答案B
例题4图5-9表示绿色植物在水分充足的条件下，光合作用的速度与环境因素的关系。
请仔细分析图中曲线，回答下列问题：
图5-9
（1）从图中曲线可知影响光合作用的主要非生物因素是_______________________。
（2）根据你对图中曲线的分析，你认为光合作用强度与温度之间的关系是________。
（3）你认为在温度为40℃，光照强度为c时，限制光合作用进行的内在因素是_______，外界因素可能是___________。
（4）在光照强度为b的条件下，温度为30℃时，限制光合作用的内在因素是__________，如果大棚栽培蔬菜，在这种情况下应采取什么措施有利于蔬菜的生长？
_____________。
原因是___________________________。
（5）在光照强度为b、温度为20℃时，限制光合作用的内在因素是_____________，如果大棚栽培蔬菜，此时应采取什么措施有利于蔬菜的生长？
_______________。
原因是________。
解析影响光合作用的因素很多，如水分、光照强度、温度、CO2浓度等均对光合作用产生影响。
根据题干部分的要求，已不考虑水对光合作用的影响。
从图中曲线可以看出，光照强度与温度的关系是：
在一定的光照强度范围内，光合作用强度随着光照强度的增加而增加。
光合作用强度与温度的关系是：
在一定的温度范围内，光合作用强度随着温度的升高而增强。
温度对光合作用过程中的光反应影响不大，但对暗反应的影响很大，主要是影响暗反应过程中的酶的活性，所以在光照充足，温度较低的条件下，光合作用的强度主要是受暗反应的限制，此时适当提高温度有利于植物的生长。
光照强度主要影响光合作用的光反应过程，对暗反应过程没有直接影响。
在温度适宜，光照强度较低的条件下，限制光合作用强度的主要内在因素是光反应，此时适当降低温度有利于植物的生长。
如果光照条件和温度都适宜时，限制光合作用强度的主要因素是CO2的浓度、酶的数量和酶的最大活性的限制。
答案
（1）光照强度和温度
（2）在一定的温度范围内，光合作用强度随着温度的升高而增强（3）暗反应过程中的酶的数量和酶的最大活性CO2（4）光反应适当降低温度降低呼吸消耗（5）暗反应中酶的活性适当提高温度提高暗反应过程中酶的活性
例题5用含18O的葡萄糖跟踪有氧呼吸过程中的氧原子，18O的转移途径是（）
A．葡萄糖→丙酮酸→水B．葡萄糖→丙酮酸→氧
C．葡萄糖→氧→水D．葡萄糖→丙酮酸→CO2
解析葡萄糖的有氧呼吸过程可分为3个阶段，第一阶段是葡萄糖在无氧参与的情况下分解成丙酮酸，同时产生[H]和少量的ATP；
第二阶段是丙酮酸分解成CO2，同时产生[H]和少量的ATP；
第三阶段是第一阶段和第二阶段产生的[H]还原从空气中吸收进来的氧，生成水，同时产生了大量的ATP。
从C6H12O6氧化分解产生H2O和CO2的全过程可以看出，葡萄糖中18O的转移途径是葡萄糖→丙酮酸→CO2。
答案D
例题6图5-10表示某种植物的非绿色器官在不同氧浓度下O2吸收量和CO2释放量的变化。
请据图5-10回答下列问题：
图5-10
（1）外界氧浓度在10％以下时，该器官的呼吸作用方式是_______________________。
（2）该器官的CO2释放与O2的吸收两条曲线在P点相交后则重合为一条线，此时该器官的呼吸作用方式是__________________，进行此种呼吸方式所用的底物是________________。
（3）当外界氧浓度为4～5％时，该器官CO2释放量的相对值为0．6，而O2
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