第10讲　光合作用的探究历程与基本过程
备考·最新考纲
1.光合作用的基本过程(Ⅱ)。2.实验：叶绿体中色素的提取和分离。
考点一　捕获光能的色素和结构及光合作
用的探究历程(5年3考)
[自主梳理]
1.叶绿素和其他色素
转换
酒精
纸层析
类胡萝卜素
叶绿素b
叶绿素a
红光和蓝紫光
2.叶绿体的结构与功能
(1)结构模式图
双层膜
暗反应
基粒
色素
光反应
光合反应
叶绿体
3.光合作用的探究历程(连一连)
答案　①—A—b　②—C—a　③—E—e　④—D—c　
⑤—B——d
[深度思考]
1.英格豪斯认为普利斯特利的实验只有在光下才能成功，则
只要有光照，植物一定能更新空气，对吗？
提示　不对，植物更新空气的前提是光合速率大于呼吸速率，即净光合速率＞0，若光照强度不够充分(在光补偿点以下)，则植物不但不能更新空气，反而会使空气变得更混浊。
2.某植物叶片不同部位的颜色不同，将该植物在黑暗中放置48 h
后，用锡箔纸遮蔽叶片两面，如图所示。在日光下照光一段时
间，去除锡箔纸，用碘染色法处理叶片，观察到叶片有的部位
出现蓝色，有的没有出现蓝色。请思考：
(1)本实验设置了哪些对照？其自变量和因变量分别是什么？实验结论分别是什么？
(2)实验中对植株进行暗处理，其目的是什么？
提示　(1)图中d与e对照，其单一变量为有无光照，结果d部位经碘液检测显示蓝色，e部位不显示蓝色，表明光合作用制造淀粉必须有“光”。
图中a与b、d对照，其单一变量为叶绿体有无，结果b、d部位经碘液检测显示蓝色，a部位不显示蓝色，表明光合作用制造淀粉，必须有“叶绿体”。
(2)该实验的关键是饥饿处理，其目的是使叶片中的营养物质消耗掉，增强了实验的说服力。
影响叶绿素合成的三大因素
[跟进题组]
题组一　捕获光能的色素和结构
1.(2015·四川卷，1)下列在叶绿体中发生的生理过程，不需要蛋
白质参与的是(　　)
A.Mg2＋吸收 B.O2扩散
C.光能转换 D.DNA复制
解析　叶绿体对Mg2＋的吸收，需要细胞膜上载体蛋白的协助，也需要消耗ATP供能，A不符合题意；O2的扩散是单纯扩散，既不需要载体协助，也不需要消耗能量，也就不需要蛋白质的参与，B符合题意；光能转换为化学能的过程中需要酶(蛋白质)作催化剂，C不符合题意；DNA复制需要DNA聚合酶、解旋酶等，也需要消耗ATP供能，D不符合题意。
B
2.关于叶绿素的叙述，错误的是(　　)
A.叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素
B.被叶绿素吸收的光可用于光合作用
C.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同
D.植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光
解析　Mg是合成叶绿素a和叶绿素b的必需元素；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，用于光合作用的光反应过程；叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同；叶绿素不能有效地吸收绿光，绿光被反射出去，使植物呈现绿色。
答案　D
题组二　光合作用的探究历程
3.下列关于光合作用探究历程的叙述，不正确的是(　　)
A.普利斯特利的实验证明了植物可以更新空气
B.萨克斯的实验证明了光合作用的产物除氧气外还有淀粉
C.恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量
D.鲁宾和卡门的实验中，用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用产生的氧气来自H2O而不是CO2
解析　恩格尔曼的实验能够证明氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是进行光合作用的场所，但不能定量分析光合作用生成的氧气量。
答案　C
4.下图是光合作用探索历程中恩格尔曼和萨克斯的实验示意图,下
列有关叙述正确的是(　　)
A.两实验均需进行“黑暗”处理，以消耗细胞中原有的淀粉
B.两实验均需要光的照射
C.两实验中只有恩格尔曼的实验设置了对照
D.两实验均可证明光合作用的产物有氧气
解析　本题主要考查光合作用的发现过程。图示的两实验中，只有萨克斯的实验需进行“黑暗”处理，目的是消耗掉细胞中原有的淀粉。恩格尔曼实验的目的是探究光合作用进行的场所，萨克斯实验的目的是探究光合作用产物，所以两实验均需要光的照射。恩格尔曼的实验中，照光处理与不照光、黑暗与完全曝光形成对照；萨克斯的实验中，暗处理的叶片一半曝光、一半遮光形成对照。恩格尔曼的实验可证明氧气是光合作用的产物，萨克斯的实验可证明淀粉是光合作用的产物。
答案　B
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。
考点二　光合作用的过程（5年9考）
[自主梳理]
1.完善光合作用的过程
［Ｈ］
ATP
光、色素、酶
类囊体的薄膜上
［H］+O2
ATP
ATP中活跃的
化学能
酶
叶绿体基质
有机物中稳定的化学能
ATP
C3
CH2O
2C3
CO2
2.写出光合作用的总反应式并标出各种元素的来源和去向
3.光反应与暗反应的比较
酶
ATP
类囊体薄膜
叶绿体基质
水的光解
C3的还原
ATP中活跃的化
学能
有机
物中稳定的化学能
[H]和ATP
ADP和Pi
巧记光合作用过程的“一、二、三、四”
如图为某细胞内生物膜结构的一部分，据图分析
(1)图示结构中产生的ATP (填“能”或“不能”)运出所在的细胞器，用于其他生命活动
(2)图示膜结构为叶绿体 (填“外膜”或“内膜”、“类囊体膜”)
(3)图中发生的能量转换是：
(4)图中“色素”是指
不能
类囊体膜
光能→活跃的化学能
叶绿素(a、b)、类胡萝卜素
[跟进题组]
题组一　光合作用过程分析
1.(2015·安徽卷，2)右图为大豆叶片光合作用暗
反应阶段的示意图。下列叙述正确的是(　　)
A.CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变
为C3中的化学能
B.CO2可直接被[H]还原，再经过一系列的变化形成糖类
C.被还原的C3在相关酶的催化作用下，可再形成C5
D.光照强度由强变弱时，短时间内C5含量会升高
解析　由图解可知，光反应产生的ATP和[H]参与C3的还原，而不参与CO2的固定，A、B错误；被还原的C3在有关酶的催化作用下一部分合成了(CH2O)，另一部分又形成了C5，C正确；光照强度变弱时，光反应产生的ATP和[H]减少，故短时间内C5含量会降低，D错误。
答案　C
2.根据下面光合作用图解，判断下列说法正确的是(　　)
A.⑤过程发生于叶绿体基质中
B.⑥过程发生于叶绿体类囊体薄膜上
C.图示①～④依次为[H]、ATP、CO2、(CH2O)
D.②不仅用于还原C3化合物，还可促进③与C5的结合
解析　根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥分别表示[H]、ATP、CO2、(CH2O)、光反应和暗反应。光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上，暗反应发生在叶绿体的基质中。C3化合物还原过程中需要ATP，CO2固定过程中不需要ATP。
答案　C
题组二　环境因素骤变对光合作用物质含量变化的影响
3.(2015·福建卷，3)在光合作用中，RuBP羧化酶能催化CO2＋
C5(即RuBP)→2C3。为测定RuBP羧化酶的活性，某学习小组
从菠菜叶中提取该酶，用其催化C5与14CO2的反应，并检测产
物14C3的放射性强度。下列分析错误的是(　　)
A.菠菜叶肉细胞内RuBP羧化酶催化上述反应的场所是叶绿体基质
B.RuBP羧化酶催化的上述反应需要在无光条件下进行
C.测定RuBP羧化酶活性的过程中运用了同位素标记法
D.单位时间内14C3生成量越多说明RuBP羧化酶活性越高
解析　RuBP羧化酶催化上述反应即为二氧化碳的固定，属于暗反应，其场所是叶绿体基质，A正确；暗反应不需要光，有光和无光条件下都可进行，B错误；实验中利用14C标记CO2并检测产物放射性强度，即采用同位素标记法，C正确；单位时间内产物生成量可代表化学反应的催化效率，酶对化学反应的催化效率即可反映酶活性，D正确。
答案　B
4.卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果获得了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中，通过一个通气管向玻璃容器中通入CO2，通气管上有一个开关，可控制CO2的供应，容器周围有光源，通过控制电源开关可控制光照的有无。请回答下列问题：
(1)实验材料小球藻属于________(填“原核”或“真核”)生物。
(2)卡尔文通过停止________来探究光反应和暗反应的联系，他得到的实验结果是下图中的________。
(3)卡尔文通过停止________来探究光合作用过程中固定CO2的化合物，这时他发现C5的含量快速升高，由此得出固定CO2的物质是C5。
(4)卡尔文向密闭容器中通入14CO2，当反应进行到第5 s时，14C出现在一种C5和一种C6中；将反应时间缩短到0.5 s时，14C出现在一种C3中。上述实验中卡尔文是通过控制________来探究CO2中碳原子的转移路径的，采用的技术方法有________等。
(5)卡尔文将不同反应条件下的小球藻放入70 ℃的蒸馏水中，这样做是为了使细胞中的________失活，此时，细胞中的化合物就保持在热处理之前的状态。
解析　(1)小球藻属于真核生物。(2)在光照下，光反应进行，其产生的ATP和[H]参与暗反应中C3的还原，因此，通过停止光照可以探究光反应和暗反应的联系。当停止光照后.光反应停止，ATP和[H]的合成停止，则C3的还原减少，C3浓度增大，C5浓度减小，停止光照一段时间后，C3和C5浓度基本保持不变。(3)在暗反应中，CO2与C5结合形成C3，当停止CO2的供应后，CO2的固定受到影响，故会导致C5含量升高。(4)由题中叙述可知，实验中卡尔文是通过控制反应时间来探究CO2中碳原子的转移路径的，该实验中他采用了放射性同位素标记法。(5)酶是生物体内催化化学反应的催化剂，大多数酶的化学本质是蛋白质，在高温下酶的结构被破坏，导致细胞中的化学反应不能进行，化合物的含量不再发生变化。
答案　(1)真核　(2)光照　A　(3)CO2的供应　(4)反应时间　同位素标记法　(5)酶
巧用模型法分析物质量的变化
(1)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化。
(2)以上各物质变化中，C3和C5含量的变化是相反的，[H]和ATP含量变化是一致的。
(3)具体分析时只有理清C3、C5的“来源”与“去路”(C3产生于CO2的固定，消耗于C3的还原；C5产生于C3的还原，消耗于CO2的固定)，才能避开试题陷阱。
考点三　（实验）叶绿体中色素的提取和分离
（5年3考）
[自主梳理]
1.实验原理
有机溶剂无水乙醇
无水乙醇
溶解度
溶解度高
层析液
2.实验流程
叶绿
素
提取液
均匀、整齐
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
黄色
蓝绿色
黄绿色
最多
最高
最低
(1)从色素带的宽度可推知色素含量的多少；
(2)从色素带的位置可推知色素在层析液中溶解度的大小；
(3)在滤纸上距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b，距离最远的两条色素带是胡萝卜素与叶黄素。
[提醒]
[深度思考]
(1)为什么滤液细线要重复画，且线要细、直？
提示　重复画线是为了增加色素的浓度，使分离出的色素带清晰分明。滤液细线要细、直是为了防止色素带之间出现重叠。
(2)层析时，为什么不能让滤液细线触及层析液？
提示　滤纸条上的滤液细线触及(或没入)层析液，会使滤液中的色素溶解于层析液中，滤纸条上得不到色素带，使实验失败。
[跟进题组]
题组　叶绿体中色素提取和分离过程与结果
1.(2015·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，下
图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列叙述
不正确的是(　　)
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　由图示可知，强光下，Ⅲ、Ⅳ表示的叶绿素色素带变窄，说明叶绿素含量降低，A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正确；Ⅲ是叶绿素a，Ⅳ是叶绿素b，都是主要吸收蓝紫光和红光，但吸收光谱的吸收峰波长不同，C正确；画滤液线时，滤液在点样线上画2～3次，D错误。
答案　D
2.如图表示某生物兴趣小组利用韭菜宿根进行相关实验流程，请
分析回答：
(1)纸 层析法分离色素的“结果①、②”如下图所示，其中共有的色素带的颜色是________，据此能得出的结论是________。
(2)蒜黄和韭黄都是在避光条件下培育出来的蔬菜，对这种现象的最好解释是__________________________________________。
(3)若由于各组操作不同，出现了以下四种不同的层析结果。下列分析最不合理的是(　　)
A.甲组可能误用蒸馏水作提取液和层析液
B.乙组可能是因为研磨时未加入SiO2
C.丙组是正确操作得到的理想结果
D.丁组可能是因为研磨时未加入CaCO3
(4)将等量刚制备的韭菜和韭黄色素滤液放在阳光与三棱镜之间，“结果②”吸收光谱最明显的差异出现在______光区域。将制得的韭菜滤液在强光下曝光1～2 h，再重复上述实验，其结果与韭黄滤液的实验结果基本一致，其原因是___________。
答案　(1)橙黄色、黄色　叶绿素的形成需要光　(2)环境因素影响了基因的表达　(3)C　(4)红　叶绿素不稳定，在强光下易分解
叶绿体中色素的提取和分离实验异常现象分析
(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析
①未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。
②使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少。
③一次加入大量的无水乙醇，提取浓度太低(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)滤纸条看不到色素带
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。
(4)滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带。
忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。
易错易混　防范清零
[易错清零]
易错点1　混淆塑料大棚中“塑料颜色”与“补光类型”的选择
点拨　为提高光能利用率，塑料大棚栽培时常选择“无色塑料”以便透过各色光，这是因为太阳的全色光透过时各种色的光均可被作物吸收(尽管黄绿色吸收量较小，但总不会起负作用)，而阴天或夜间给温室大棚“人工补光”时，则宜选择植物吸收利用效率最高的“红光或蓝紫光”灯泡。因为若利用白炽灯，则其发出的光中“黄、绿光”利用率极低，从节省能源(节电、节省成本)角度讲，用红灯泡、紫灯泡效率最高。
易错点2　误认为温室生产中昼夜温差越大，作物产量越高
点拨　白天适当提高温度或增加CO2浓度，可有利于提高光合产量，夜晚不进行光合作用，适当降低温度可降低呼吸速率从而减少有机物消耗，故适当提高昼夜温差可提高作物有机物积累量，从而提高作物产量。然而，昼夜温差并非越大越好，因为夜晚温度过低时，呼吸酶活性过小，当呼吸作用被过度抑制时，必将减弱矿质离子的吸收等代谢过程，从而制约次日的光合作用，这对作物生长显然不利。
易错点3　误认为光合作用暗反应中C5可参与(CH2O)生成
点拨　光合作用暗反应中C5的作用在于固定CO2形成C3，14CO2中的14C转移途径为14CO2→14C3→(14CH2O)，中间没有C5参与，C5的作用为C5＋CO2→2C3→(CH2O)、C5，C5被用于再次固定CO2，不能理解为C5生成(CH2O)。
易错点4　不明确化能合成作用的实质及其与光合作用的本质区别
点拨　光合作用与化能合成作用的比较
易错点5　误认为光照下密闭容器中植物周围空气中CO2浓度不
变时，叶肉细胞的光合速率＝呼吸速率
点拨　一株放在密闭容器中的植物，当给以光照，此容器内二氧化碳浓度不变时，不要认为此时叶肉细胞二氧化碳的吸收量等于释放量，事实上是整个植株二氧化碳的吸收量与释放量相等。因为植株还有非绿色组织，该部分只能进行呼吸作用产生二氧化碳，而对于叶肉细胞来说，二氧化碳的吸收量大于释放量。
[规范答题]
甲图是某科研所在探究“影响植物光合作用速率的因素”的实验装置图。乙图是某植物在恒温(30 ℃)时光合作用速率与光照强度的关系。图丙表示在遮光50%条件下，温度、光照强度、该植物净光合速率和气孔导度(气孔张开的程度)的日变化趋势。试回答：
1.找错·纠错
错答(1)序号：________　正答：________
错答(2)序号：________　正答：________
错答(3)序号：________　正答：

错答(4)序号：________　正答：________
错答(5)序号：________　正答：

错答(6)序号：________　正答：______________
②
大于
④
左
⑤
吸收灯光的热量,排除光照对试
管内水温的影响
⑥
红或蓝紫
⑦
呼吸作用增强,光合速率与呼吸
速率的差值减小
⑧
线粒体、叶绿体
2.错因分析
(1)错将光合速率＝整株植物呼吸速率，看作光合速率＝叶肉细胞的呼吸速率。
(2)错将25 ℃更有利于光合作用从而导致B点左移，视作有利于光合作用导致B点更往右移。
(3)理解错误，错将水柱与光镜混淆。
(4)错误地认为白炽灯可发出各色光有利于光合作用，忽视“提高光合效率”、“节约能源”等关键词。
(5)忽略净光合速率应取决于光合速率与呼吸速率的“差值”或“代数和”而非取决于其中单方面。
(6)忽略“细胞器”这一要求，且误认为18∶00时无光合作用。