光合作用与呼吸作用之间的关系.docx

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光合作用与呼吸作用之间的关系

加强提升课

（一）　光合作用与呼吸作用之间的关系

及其实验探究

　光合作用与细胞呼吸的关系

1．光合作用与有氧呼吸过程的比较

项目

光合作用

有氧呼吸

场所

叶绿体

细胞质基质和线粒体

C的变化

CO2→C3→C6H12O6

C6H12O6→C3H4O3→CO2

[H]的变化

H2O→[H]→C6H12O6

C6H12O6→[H]→H2O

[H]的作用

还原C3

还原O2

O2的变化

H2O→O2

O2→H2O

能量变化

光能→C6H12O6中的化学能

C6H12O6中的化学能→ATP中的能量和热能

ATP

产生于光反应，用于暗反应中C3的还原

有氧呼吸三个阶段都产生，用于除暗反应外的各项生命活动

影响因素

光照、温度、CO2浓度等

O2浓度、温度等

2.光合作用与有氧呼吸的联系

（1）物质方面

C：

CO2

C6H12O6

C3H4O3

CO2；

O：

H2O

O2

H2O；

H：

H2O

[H]

C6H12O6

[H]

H2O。

（2）能量方面

光能

ATP中活跃的化学能

C6H12O6中稳定的化学能

3．相关计算

植物的光合作用与细胞呼吸同时进行时，存在如下关系：

（1）光合作用实际产氧量（叶绿体产氧量）＝实测植物氧气释放量＋细胞呼吸耗氧量。

（2）光合作用实际CO2消耗量（叶绿体消耗CO2量）＝实测植物CO2消耗量＋细胞呼吸CO2释放量。

（3）光合作用葡萄糖净生产量（葡萄糖积累量）＝光合作用实际葡萄糖生产量（叶绿体产生或合成的葡萄糖量）－细胞呼吸葡萄糖消耗量。

角度1　光合作用与细胞呼吸的关系

1．（2018·河北保定月考）如图表示光合作用和有氧呼吸过程中C、H、O三种元素的转移途径以及能量转换过程。

图中序号表示相关的生理过程。

下列叙述不正确的是（　　）

A．在元素转移途径中，④与⑧、⑦与⑨表示的生理过程相同

B．在元素转移途径中，能在小麦根尖成熟区细胞中发生的生理过程有②③⑥⑦⑨

C．在有氧呼吸过程中，产生能量最多的过程是⑦

D．ATP中的化学能可以转变为有机物中的化学能而不能转变为光能

解析：

选D。

④和⑧都表示光反应中水分子在光照下的分解，⑦和⑨都表示有氧呼吸第三阶段中氧气与[H]反应生成水，A正确。

小麦根尖成熟区细胞中有线粒体、没有叶绿体，因而可以发生有氧呼吸过程即②③⑥⑦⑨，但不能进行光合作用，B正确。

在有氧呼吸过程中，产生能量最多的是第三阶段，即⑦或⑨，C正确。

ATP中的化学能可以转变为有机物中的化学能，也可以转变为光能，如萤火虫发光由ATP供能，D错误。

2．（2018·河北衡水中学联考）如图表示在有氧条件下某高等植物体内有关的生理过程示意图，①～⑤表示有关过程，X、Y、Z和W表示相关物质。

请据图判断下列说法错误的是（　　）

A．X、Y、Z物质分别表示C3、丙酮酸和ATP

B．①～⑤过程中能产生ATP的有①②③④

C．②⑤过程分别表示C3的还原和CO2的固定

D．光合速率小于呼吸速率时，④过程产生的CO2会释放到细胞外

解析：

选B。

分析图示，①过程表示光反应阶段，②过程表示C3的还原，⑤过程表示CO2的固定，③④过程表示有氧呼吸的第一阶段和第二阶段。

Z物质是光反应阶段产生的ATP，Y物质是呼吸作用第一阶段产生的丙酮酸，X物质是暗反应的中间产物C3，A项、C项正确；①～⑤过程中能产生ATP的有①③④，②⑤过程不产生ATP，B项错误；光合速率小于呼吸速率时，呼吸作用产生的CO2会有一部分释放到细胞外，D项正确。

（1）“图解法”理解光合作用与细胞呼吸过程

（2）光合作用与细胞呼吸过程中[H]和ATP的来源和去向

项目

光合作用

有氧呼吸

[H]

来源

H2O光解产生

有氧呼吸第一、二阶段

去向

还原C3

用于第三阶段还原O2

ATP

来源

光反应阶段产生

三个阶段都产生

去向

用于C3还原供能

用于各项生命活动（植物C3的还原除外）

角度2　光合作用和细胞呼吸的相关计算

3．（曲线类）（2018·河南六市联考）将某种绿色植物的叶片放在特定的实验装置中，研究其在10℃、20℃的温度条件下，分别置于5klx、10klx光照和黑暗条件下的光合作用强度和呼吸作用强度，结果如图。

据图所作的推测中，正确的是（　　）

A．该叶片在20℃、10klx的光照下，每小时光合作用固定的CO2量约是8.25mg

B．该叶片在5klx光照下，10℃时积累的有机物比20℃时少

C．该叶片在10℃、5klx的光照下，每小时光合作用所产生的氧气量是3mg

D．通过实验可知，叶片的净光合速率与温度和光照强度均成正比

解析：

选A。

叶片在20℃、10klx时，每小时光合作用固定的CO2量是（10＋2）/2×（44/32）＝8.25mg；在5klx光照强度下，10℃时积累的有机物比20℃时的多；在10℃、5klx的光照强度下每小时光合作用所产生的O2量是（6＋1）/2＝3.5mg；净光合速率与植物细胞的呼吸速率和真正光合速率有关，仅就图中曲线而言，不能得出净光合速率与温度和光照强度的关系。

4．（表格类）在一定浓度的CO2和适当的温度条件下，测定A植物和B植物在不同光照条件下的光合速率，结果如表，以下有关说法错误的是（　　）

光合速率与呼吸速率相等时的光照强度（klx）

光饱和时的光照强度（klx）

光饱和时的CO2吸收速率（mg/100cm2叶·小时）

黑暗条件下CO2释放速率（mg/100cm2叶·小时）

A植物

1

3

11

5.5

B植物

3

9

30

15

A.与B植物相比，A植物是在弱光照条件下生长的植物

B．当光照强度超过9klx时，B植物光合速率不再增加，造成这种现象的原因可能是暗反应跟不上光反应

C．当光照强度为9klx时，B植物的总光合速率是45mgCO2/100cm2叶·小时

D．当光照强度为3klx时，A植物与B植物固定CO2速率的差值为4mgCO2/100cm2叶·小时

解析：

选D。

由表可知，光合速率与呼吸速率相等时的光照强度是植物的光补偿点，A植物的光补偿点低，则A植物属于弱光条件下生长的植物。

B植物光饱和时的光照强度是9klx，此时光反应产生的[H]和ATP不会限制暗反应，则光照强度超过9klx时，B植物光合速率不再增加的原因是暗反应跟不上光反应。

光饱和时CO2吸收速率表示净光合速率，黑暗条件下CO2释放速率表示呼吸速率，总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，因此，当光照强度为9klx时，B植物的总光合速率＝30＋15＝45（mgCO2/100cm2叶·小时）。

当光照强度为3klx时，对B植物来说，此光照强度是光补偿点，因此总光合速率＝呼吸速率＝15mgCO2/100cm2叶·小时，对A植物来说，此光照强度是光饱和点，因此总光合速率＝11＋5.5＝16.5（mgCO2/100cm2叶·小时），因此差值为1.5mgCO2/100cm2叶·小时。

5．（柱形图类）某实验小组研究温度对水绵光合作用的影响，实验结果如图所示，据图分析下列有关说法正确的是（　　）

A．据图可知，水绵细胞呼吸作用的最适温度为35℃

B．图中水绵细胞积累有机物速率最大时的温度是25℃

C．每天光照10小时，最有利于水绵生长的温度是25℃

D．在5℃时，水绵细胞产生氧气的速率是消耗氧气的速率的2倍

解析：

选B。

图中纵坐标表示光照下吸收CO2的量（即净光合速率）或黑暗中释放CO2的量（即呼吸速率）。

由于没有对高于35℃条件下水绵细胞的呼吸作用进行研究，因此，不能说明水绵细胞呼吸作用的最适温度为35℃。

水绵细胞积累有机物的速率是指净光合速率，从图中可以看出，在25℃时水绵细胞在光照下吸收CO2的量最高，即积累有机物的速率最大。

每天光照10小时，最有利于水绵生长的温度应是20℃，因为在20℃时，每天光照10小时，一昼夜水绵积累的有机物最多，为11.5mg（3.25×10－1.5×14＝11.5）（用CO2吸收量表示）。

在5℃时，水绵细胞产生氧气的速率是1.5（用CO2吸收量表示），消耗氧气的速率是0.5（用CO2释放量表示），可知水绵细胞产生氧气的速率是消耗氧气的速率的3倍。

植物“三率”的判定

（1）根据坐标曲线判定：

当光照强度为0时，若CO2吸收值为负值，该值绝对值代表呼吸速率，该曲线代表净光合速率，当光照强度为0时，若CO2吸收值为0，该曲线代表真正光合速率。

（2）根据关键词判定

检测指标

呼吸速率

净光合速率

真正（总）光合速率

CO2

释放量（黑暗）

吸收量

利用量、固定量、消耗量

O2

吸收量（黑暗）

释放量

产生量

有机物

消耗量（黑暗）

积累量

制造量、产生量

　密闭环境中昼夜CO2/O2含量变化过程分析

1．绿色植物24h内有机物的“制造”“消耗”与“积累”

（1）典型图示

（2）曲线解读

①积累有机物时间段：

CE段。

②制造有机物时间段：

BF段。

③消耗有机物时间段：

OG段。

④一天中有机物积累最多的时间点：

E点。

⑤一昼夜有机物的积累量：

SP－SM－SN（SP、SM、SN分别表示P、M、N的面积）。

2．在相对密闭的环境中，一昼夜CO2含量的变化曲线图和O2含量的变化曲线图的比较

项目

一昼夜CO2含量的变化曲线图（小室中CO2变化状况）

一昼夜O2含量的变化曲线图（小室中O2变化状况）

图示

如果N点低于M点

说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量增加

说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量减少

如果N点高于M点

说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量减少

说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量增加

如果N与M点一样高

说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量不变

说明经过一昼夜，植物体内的有机物总量不变

含量最高点

CO2含量最高点为C点

O2含量最高点为E点

含量最低点

CO2含量最低点为E点

O2含量最低点为C点

1．如图表示夏季晴天某植物放在密闭的玻璃罩内一昼夜CO2浓度的变化曲线（实线），据图判断正确的是（　　）

A．H点时植物产生ATP的场所只有细胞质基质和线粒体

B．光合作用是从D点开始的，因为D点后CO2浓度开始下降

C．处于实线与虚线交叉点时的光合作用强度等于呼吸作用强度

D．经历一天植物体内的有机物有积累，容器内O2含量增加

解析：

选D。

由题图分析可知，H点是CO2浓度变化曲线的拐点，光合作用强度等于呼吸作用强度，此时植物体内产生ATP的场所应是细胞质基质、线粒体和叶绿体，A错误；D点时光合作用强度也等于呼吸作用强度，光合作用在D点前已开始，B错误；图中H、D点代表光合作用强度等于呼吸作用强度，实线与虚线的交叉点代表此时CO2浓度与起始点相同，植物体内的有机物积累量为0，C错误；与初始相比，24时CO2浓度下降，说明一天中有机物有积累，容器内O2含量增加，D正确。

2．如图甲是夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。

分析曲线并回答下列问题：

（1）由图甲可看出大约中午12时时，光合作用强度明显减弱（C点），其主要原因是________________________________________________________________________。

（2）由B点到C点的过程中，短时间内C3和C5的变化分别是________________________________________________________________________。

（3）测得该植物的一些实验数据如下：

30℃

15℃黑暗5h

一定光照15h

黑暗下5h

吸收CO2660mg

释放CO2220mg

释放CO2110mg

若该植物处于白天均温30℃，晚上均温15℃，有效日照12h的环境下，该植物一昼夜积累的葡萄糖的量为________mg。

（4）将该植物置于一密闭的容器内一昼夜，此过程中容器内O2的相对含量变化如图乙所示。

据图回答下列问题：

①图乙中植株光合作用释放的O2量和呼吸作用消耗的O2量相等的点是________。

②该植株经过一昼夜后，能否积累有机物？

________，理由是________________________________________________________________________。

解析：

（1）夏季中午温度高，植物蒸腾作用比其他时间强，导致部分气孔关闭，CO2吸收量减少，光合作用强度减弱。

（2）由

（1）知，B点到C点光合作用强度减弱的根本原因是植物吸收的CO2减少，光合作用的暗反应阶段CO2固定减少，C3生成量减少，而C5消耗量减少，由此得出在光合作用的动态变化中，C3减少、C5增加。

（3）CO2吸收量代表的是净光合量，注意题目中白天和晚上对应的温度，结合题意计算CO2的吸收量为（660/15）×12－（110/5）×12＝264（mg），一昼夜积累的葡萄糖的量为（264×180）/（6×44）＝180（mg）。

（4）①分析曲线可知，AB段（不含B点）和CD段（不含C点），密闭容器内O2含量呈下降趋势，说明光合作用强度小于细胞呼吸强度；BC段（不含B、C点），密闭容器内O2含量呈上升趋势，说明光合作用强度大于呼吸作用强度；B、C点为转折点，所以B点、C点是光合作用强度等于呼吸作用强度的点。

②能否积累有机物，是看一昼夜总的光合作用和呼吸作用的大小，可以通过一昼夜CO2或O2的变化量来判断，本题是比较A点、D点O2的相对含量：

D点O2的相对含量低于A点O2的相对含量，说明一昼夜O2的消耗量大于O2的生成量，即一昼夜总的光合作用小于呼吸作用，所以植物不能积累有机物。

答案：

（1）温度高，蒸腾作用强，导致部分气孔关闭，CO2吸收量减少，光合作用强度减弱　

（2）C3减少、C5增多　（3）180　（4）①B点和C点　②不能　因为一昼夜O2的消耗量大于O2的生成量，说明该植物一昼夜呼吸作用大于光合作用

以净光合速率的大小来判断植物能否正常生长

（自然状态下以一天24小时为单位）

（1）净光合速率大于0时，植物因积累有机物而正常生长。

（2）净光合速率等于0时，植物因无有机物积累不能生长。

（3）净光合速率小于0时，植物因有机物量减少而不能生长，且长时间处于此种状态下植物将死亡。

　植物光合速率与呼吸速率测定的常用方法

突破点1　气体体积变化法——测光合作用O2产生、CO2消耗的体积

（1）装置中溶液的作用：

在测细胞呼吸速率时NaOH溶液可吸收容器中的CO2；在测净光合速率时NaHCO3溶液可提供CO2，保证了容器内CO2浓度的恒定。

（2）测定原理

①在黑暗条件下甲装置中的植物只进行细胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的O2吸收速率，可代表呼吸速率。

②在光照条件下乙装置中的植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。

③真光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。

（3）测定方法

①将植物（甲装置）置于黑暗中一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算呼吸速率。

②将同一植物（乙装置）置于光下一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算净光合速率。

③根据呼吸速率和净光合速率可计算得到真光合速率。

（4）物理误差的校正：

为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。

[突破训练]

1．某转基因作物有很强的光合作用能力。

某中学生物兴趣小组在暑假开展了对该转基因作物光合作用强度测试的研究课题，设计了如图所示装置。

请你利用这些装置完成光合作用强度的测试实验，并分析回答有关问题：

（1）先测定植物的呼吸作用强度，方法步骤如下：

①甲、乙两装置的D中都放入________，装置乙作为对照。

②将甲、乙装置的玻璃钟罩进行________处理，放在温度等相同且适宜的环境中。

③30min后分别记录甲、乙两装置中红墨水滴移动的方向和距离。

（2）测定植物的净光合作用强度，方法步骤如下：

①甲、乙两装置的D中放入______________，装置乙作为对照。

②把甲、乙装置放在_______________________________________________________。

③30min后分别记录甲、乙两装置中红墨水滴移动的方向和距离。

（3）实验进行30min后，记录的甲、乙装置中红墨水滴移动情况如表：

实验30min后红墨水滴移动情况

测定植物呼吸作用强度

甲装置

____（填“左”或“右”）移1.5cm

乙装置

右移0.5cm

测定植物净光合作用强度

甲装置

____（填“左”或“右”）移4.5cm

乙装置

右移0.5cm

（4）假设红墨水滴每移动1cm，植物体内的葡萄糖增加或减少1g，那么该植物的呼吸速率是________g/h；白天光照15h，一昼夜葡萄糖的积累量是________g（不考虑昼夜温差的影响）。

解析：

要测定光合作用强度必须先测定呼吸作用强度，在测定呼吸作用强度时一定要将实验装置置于黑暗条件下，使植物只进行呼吸作用。

用NaOH溶液除去玻璃钟罩内的CO2，植物进行呼吸作用消耗一定量的O2，释放等量的CO2，而CO2被NaOH溶液吸收，根据一定时间内玻璃钟罩内气体体积的减少量即可计算出呼吸作用强度。

在测定净光合作用强度时要满足光合作用所需的条件：

充足的光照、一定浓度的CO2（由NaHCO3溶液提供），光合作用过程中消耗一定量CO2，产生等量O2，而NaHCO3溶液可保证装置内CO2浓度的恒定，因此，玻璃钟罩内气体体积的变化只受O2释放量的影响，而不受CO2气体减少量的影响。

对照实验装置乙中红墨水滴右移是环境因素（如气压等）对实验产生影响的结果，实验装置甲同样也受环境因素的影响，因此，植物呼吸作用消耗O2量等于玻璃钟罩内气体体积的改变量，即该植物的呼吸速率为（1.5＋0.5）×2＝4（g/h）；净光合速率为（4.5－0.5）×2＝8（g/h），白天光照15h的净光合作用量是8×15＝120（g），一昼夜葡萄糖的积累量等于15h的光合作用实际产生量减去24h的呼吸作用消耗量，等同于15h的净光合作用量减去9h的呼吸作用消耗量，即120－4×9＝84（g）。

答案：

（1）①NaOH溶液　②遮光　

（2）①NaHCO3溶液

②光照充足、温度等相同且适宜的环境中　（3）左　右　（4）4　84

光合作用和细胞呼吸实验探究中

常用实验条件的控制

（1）增加水中O2——泵入空气或吹气或放入绿色水生植物。

（2）减少水中O2——容器密封或油膜覆盖或用凉开水。

（3）除去容器中CO2——氢氧化钠溶液。

（4）除去叶中原有淀粉——置于黑暗环境中。

（5）除去叶中叶绿素——酒精隔水加热。

（6）除去光合作用对呼吸作用的干扰——给植株遮光。

（7）如何得到单色光——棱镜色散或薄膜滤光。

（8）线粒体提取——细胞匀浆离心。

突破点2　“黑白瓶”——测透光、不透光两瓶中氧气的剩余量

“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”透光，给予光照，测定的是净光合作用量。

“黑白瓶”试题是一类通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算总光合作用强度的试题。

一般规律如下：

（1）总光合作用量（强度）＝净光合作用量（强度）＋有氧呼吸消耗量（强度）。

（2）有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量（或二氧化碳的增加量）为有氧呼吸量；白瓶中氧气的增加量（或二氧化碳的减少量）为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。

（3）没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量－黑瓶中测得的现有量＝总光合作用量。

[突破训练]

2．（2018·河北冀州月考）某研究小组从当地一湖泊的某一深度取得一桶水样，测得最初溶解氧的含量为10mg/L，取等量水样分装于6对黑白瓶中。

白瓶为透明玻璃瓶，黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶。

将它们分别置于六种不同的光照条件下（光照强度随A→E逐渐增强），分别在24小时后测定各组培养瓶中的氧含量，记录数据如下，回答下列问题：

光照强度（klx）

0（黑暗）

A

B

C

D

E

白瓶溶O2量（mg/L）

3

10

17

24

30

30

黑瓶溶O2量（mg/L）

3

3

3

3

3

3

（1）黑瓶中溶解O2的含量降低为3mg/L的原因是________________________________________________；该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为____________mg/（L·24h）。

（2）当光照强度为C时，白瓶中植物光合作用产生的O2量为____________mg/（L·24h）。

（3）如果白天12小时，晚上12小时，则光照强度至少为____________（填字母）时，该水层产氧量才能维持生物一昼夜正常生活耗氧量所需。

解析：

（1）黑瓶中溶解氧的含量降低为3mg/L的原因是：

黑瓶没有光照，植物不能进行光合作用产生氧，其中的生物呼吸消耗氧气；该瓶中所有生物细胞呼吸消耗的O2量为：

原初溶解氧－24小时后氧含量，即10－3＝7mg/（L·24h）。

（2）当光照强度为C时，白瓶中植物光合作用产生的氧气量即为总光合作用量＝净光合作用量＋呼吸作用消耗量＝（24－10）＋7＝21mg/（L·24h）。

（3）根据题意可知，要求该水层产氧量能维持生物一昼夜正常生活耗氧量所需，则需要白天的氧气的净生成量大于等于夜间的呼吸作用。

由于白天和黑夜的时间等长，夜间呼吸作用消耗量为7mg/（L·24h），则白天氧气净生成量大于等于7mg/（L·24h）即可，即对应表中B点。

答案：

（1）黑瓶中植物不能进行光合作用产生O2，而生物呼吸消耗O2　7

（2）21　（3）B

进行光合速率、呼吸速率计算，常用如下关系：

（1）摩尔数关系C6H12O6∶CO2∶O2＝1∶6∶6。

（2）分子量关系：

C6H12O6（180）∶6CO2（6×44）∶6O2（6×32）。

突破点3　“半叶法”——测光合作用有机物的产生量

半叶法的原理是：

植物进行光合作用形成有机物，而有机物的积累可使叶片单位面积的干重增加，但是，叶片在光下积累光合产物的同时，还会通过输导组织将同化物运出，从而使测得的干重积累值偏低。

为了消除这一偏差，必须将待测叶片的一半遮黑，测量相同时间内叶片被遮黑的一侧单位面积干重的减少值，作为同化物输出量（或呼吸消耗量）的估测值。

“改良半叶法”采用烫伤、环割或化学试剂处理等方法来损伤叶柄韧皮部活细胞，以防止光合产物从叶中输出（这些处理几乎不影响木质部中水和无机盐向叶片的输送），仅用一组叶片，且无须将一半叶片遮黑，既简化了实验过程，又提高了测定的准确性。

[突破训练]

3．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，并采用适当的方法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