讲座2 光合作用与细胞呼吸综合题的解题方法

光合作用与细胞呼吸综合题的解题方法光合作用和细胞呼吸是有内在联系的，二者具有相反的反应过程，分别给对方提供原料，两个反应相互支持并相互影响。对绿色植物来说，很多时候同时进行着光合作用和细胞呼吸，这就为高考在这方面的命题提供了广阔的空间。我们只有深刻理解光合作用和细胞呼吸的原理及其相互关系，才能灵活解决相关问题，熟练掌握计算技巧。下面从“光合作用”、“细胞呼吸”及“光合作用与细胞呼吸的综合”三个角度进行分析。【理论阐释】1.知识背景同化CO2形成（CH2O）光能转变为化学能，并放出O2实质ATP、[H]中活跃的化学能→（CH2O）中稳定的化学能光能→ATP和[H]中活跃的化学能能量转化①CO2的固定：CO2＋C52C3②CO2的还原：C3(CH2O)＋C5＋H2O①水的光解：2H2O→4[H]＋O2②ATP的形成：ADP＋Pi+能量ATP物质转化在叶绿体的基质中进行在叶绿体类囊体的薄膜上进行场所不需色素和光，需要多种酶、ATP、[H]、CO2需色素、光、酶、水条件光合作用具体过程暗反应光反应项目酶酶ATP+酶[H]一、光合作用光合作用过程图解反应式H2O+CO2(CH2O)+O2光能叶绿体2.类型及解题规律（1）叶绿体处于不同条件下，C3、C5、[H]、ATP以及（CH2O）合成量的动态变化及解题规律。减少增加减少增加（CH2O）运输受阻光照不变CO2供应不变增加减少减少增加CO2供应增加减少或没有增加增加减少停止CO2供应光照不变增加增加增加减少突然光照减少或没有减少或没有下降增加停止光照CO2供应不变（CH2O）合成量[H]和ATPC5C3项目条件（2）多因子对光合作用综合影响的解题规律温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当充加CO2，进一步提高光合速率。当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合作用速率等。应用P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随该因子的不断加强，光合速率不断提高。当到Q点时，横坐标所表示的因子，不再是影响光合速率的因子，要想提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子含义图像1.考查C3与C5含量的动态变化【例1】如图所示某阳生植物细胞在夏季某一晴天内的光合作用过程中，C3、C5的数量变化。若第二天中午天气由光照强烈转向阴天时，叶绿体中C3、C5含量的变化分别相当于曲线中的A.c→d段（X)、b→c段（Y)B.d→e段（X)、d→e段（Y)C.d→e段（Y)、c→d段（X)D.b→c段（Y)、b→c段（X)【典例导悟】【解析】选B。本题考查光照强度变化时，对C3与C5含量变化的影响。C3→C5过程需要光反应阶段的产物，故没光时C3含量将增加，有光时C3的含量将下降；C5→C3则不需要光反应阶段的产物，故没光时C5含量将下降，有光时C5的含量将增加。从图中ab段：光照逐渐增强，X含量下降，Y含量上升；de段：光照逐渐减弱，X含量上升，Y含量下降，可判断出X曲线表示的是C3一天中的含量变化，Y曲线表示的是C5含量变化。阴天与晴天相比光照减弱，所以C3含量的变化如X曲线的d→e段，C5含量的变化如Y曲线的d→e段。2.考查多因子对光合作用的综合影响【例2】回答有关光合作用的问题。下图表示当影响光合作用的因素X、Y和Z变化时，光合作用合成量和光强度的关系。(1)图中Xl、X2、X3的差异是由于某种原因如_________影响了光合作用的__________所导致。要提高大棚作物的光合作用合成量，由X3增加为Xl，最常采取的简便而有效的措施是__________。(2)图中Y1、Y2、Y3的差异是由于__________影响了光合作用的所致。(3)图中Z1、Z2、Z3的差异表现在光合作用中________反应的不同，如果Z因素代表植物生长发育期，则代表幼苗期、营养生长和花蕾开花期的曲线依次是______。【解析】(1)由图①可知，随光强度增强，三条曲线在起始阶段是重合的，并随光强度增强而增强，但当光强度达到一定程度时，三条曲线均不再变化，说明出现三条曲线不同的原因不是由于光照引起的，而是光合作用的原料CO2和温度影响光合作用的暗反应所致；因此，要提高大棚作物的光合作用的合成量可采用提高CO2浓度，如施放干冰、燃烧柴草等措施或适度升温。(2）由图②可知，随光强度增强，三条曲线均上升，但从一开始，Y1始终在Y2的上方，Y2始终在Y3的上方，并且最终三条曲线的光合作用的合成量都相等，说明是光质（色素对不同波长的光的吸收量不同）影响了光反应。(3)由图③可知，三条曲线从一开始就有差异，说明是由整个光合作用的过程均不同（包括光反应和暗反应）造成的。幼苗期由于叶片较少且叶片中色素含量也较少，因而光合作用合成量最少，到开花期因植物已经成熟，故光合作用合成量达到最高。答案：(1)二氧化碳和温度暗反应施放干冰，增加二氧化碳浓度（或燃烧柴草）或适当升温(2）光波长短（或光质）光反应(3）光反应和暗Z3、Z2、Zl二、细胞呼吸【理论阐释】1.知识背景（1）有氧呼吸的过程①第一阶段C6H12O62丙酮酸+4[H]+少量能量（2ATP）（细胞质基质）②第二阶段2丙酮酸+6H2O6CO2+20[H]+少量能量（2ATP）（线粒体内膜）③第三阶段6O2+24[H]12H2O+大量能量（34ATP）（线粒体基质）总反应式：C6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量酶酶酶酶（2）无氧呼吸过程（1）酵母菌(或绿色植物的非绿色器官)细胞呼吸类型的判断①若只产生C02，不消耗O2，则只进行无氧呼吸。（如图A点）2.解题方法②若产生CO2的摩尔数比吸收02的摩尔数多，即C02:O21:1，则两种呼吸并存。（如图AC段）③若产生CO2的摩尔数与吸收02的摩尔数相等，即C02:02＝1:1，则只进行有氧呼吸。（如图C点以后）④B点表示无氧呼吸与有氧呼吸速率相等，此时CO2的总释放量最低，D点表示氧浓度超过10％以上时无氧呼吸消失。说明有氧存在时，无氧呼吸受到抑制。（2）有关细胞呼吸计算的规律总结规律一：细胞有氧呼吸时CO2：O2=1：1，无氧呼吸时C02：02=2：0。规律二：消耗等量的葡萄糖时，酒精发酵与有氧呼吸产生的CO2物质的量之比为1：3。规律三：产生同样数量的ATP时，无氧呼吸与有氧呼吸消耗的葡萄糖的物质的量之比为19：1。规律四：在进行有氧呼吸和无氧呼吸的气体变化计算及酶速率比较时，应使用C6H12O6+6H2O+602→6CO2+12H20+能量和C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量这两个反应式，并结合化学课上所学的，根据化学方程式计算的规律和办法进行解答。规律五：如果在题干中没有给出所要计算的具体数值，只有体积比，则可将此比值当成实际体积(或物质的量)进行计算，最后求解。【例1】下图中曲线b表示水稻根有氧呼吸和无氧呼吸所释放的CO2总量的变化，曲线a表示有氧呼吸释放的CO2量的变化，则表示无氧呼吸释放的CO2量的变化是下列选项中的ba12O2浓度CO2释放量012【典例导悟】【解析】选B。本题考查有氧呼吸和无氧呼吸的区别。无氧呼吸CO2释放量=CO2释放总量-有氧呼吸CO2释放量。水稻根细胞在无氧的条件下，无氧呼吸旺盛，随O2浓度的升高，无氧呼吸受到抑制，释放的CO2减少。【例2】现有一瓶混有酵母菌和葡萄糖的培养液，通入不同浓度的氧气时，其产生的酒精和二氧化碳的量如图所示（两种呼吸作用速率相等），在氧浓度为a时A.酵母菌只进行发酵B.67％的酵母菌进行发酵C.33％的酵母菌进行发酵D.酵母菌停止发酵【解析】选B。本题考查有关细胞呼吸的计算。由图中的氧浓度为a时读出酒精的摩尔数为6mol，则无氧呼吸放出的CO2也为6mol，而氧浓度为a时的二氧化碳释放总量为15mol，因此有氧呼吸放出的CO2为9mol,所以酵母菌不可能只进行无氧发酵。计算参与有氧和无氧呼吸的酵母菌的比例，实质是计算两种呼吸方式所消耗的C6H1206的量。无氧呼吸消耗的葡萄糖量，可由C6H1206→2C2H50H列式计算1/x=2/6，得x=3(mol)；有氧呼吸消耗的葡萄糖量，可据有氧呼吸反应式C6H1206→6C02列式1/y=6/9，得y=1.5(mol)，则无氧发酵所占比例为3/(3+1.5)=67％三、光合作用与细胞呼吸综合【理论阐释】1.知识背景光合作用与细胞呼吸的比较这两种生理作用在植物体内是相互对立而又密切联系的两个方面。植物的光合作用为细胞呼吸提供有机物和氧气，细胞呼吸又可以为光合作用提供二氧化碳和水。2.知识延伸（1）植物在同时进行光合作用和细胞呼吸的综合分析：总（真）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细胞呼吸所消耗的有机物（或释放的CO2）后，净增的有机物的量。①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细胞呼吸所释放的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。②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CO2③当外界条件变化时，C02（光）补偿点移动规律如下：a、若呼吸速率增加，C02（光）补偿点应右移。b、若呼吸速率减小，C02（光）补偿点应左移。c、若呼吸速率基本不变，条件的改变使光合速率下降时，C02（光）补偿点应右移；条件的改变使光合速率增加时，C02（光）补偿点应左移。④由于在光下，植物既进行光合作用，又进行细胞呼吸，而夜晚只进行细胞呼吸，在此基础上进一步理解一天24小时中，何时放CO2，何时吸CO2呢？可用下图表示：ABCDEFGHI时间OCO2吸收量CO2释放量AB和HI分别表示0～6时和18～24时之间只进行细胞呼吸作用放出CO2，BH段光合作用与细胞呼吸同时进行，BC、GH表示光照强度较弱时，光合作用小于细胞呼吸，也放出CO2，C与G点表示光合作用等于细胞呼吸，所以既不吸收CO2也不放出CO2，CG光合作用大于细胞呼吸，则吸收CO2。E时表示夏季中午光照过强，温度过高，蒸腾作用增大，导致叶片表皮气孔关闭，从而减少CO2供应。（2）不同光照条件下植物的代谢特点及相对强度的表示方法植物重量（有机物量）O2吸收量（或实验容器内O2的减少量）CO2释放量（或实验容器内C02的增加量）减少增加增加植物从外界吸收O2放出CO2只进行细胞呼吸，不进行光合作用黑暗情况下细胞呼吸强度表示方法图示气体代谢特点代谢状态弱光情况下细胞呼吸速率大于光合作用速率植物从外界吸收O2放出CO2，但吸收CO2放出02量较少N1=N2-Nm2=m1-m减少细胞呼吸速率等于光合作用速率时植物与外界不进行气体交换，即没有O2和CO2的吸收与释放000较强光照时植物同时进行光合作用和细胞呼吸，且光合作用速率大于细胞呼吸速率植物光合作用所利用的C02（用N表示）除来自植物自身细胞呼吸（N2）之外，不足部分来自外界（N1)；植物光合作用产生的氧气（m）除用于自身细胞呼吸（m1）之外，其余氧气释放到周围环境中（m2）。N1=N-N2m2=m-m1增加3．解题方法光合作用与细胞呼吸的综合计算。总光合量、净光合量与呼吸量的关系。可用下述公式表示：总光合量=净光合量+呼吸量（1）当光合作用≥细胞呼吸光合作用CO2的总吸收量=环境中CO2的减少量＋细胞呼吸CO2释放量光合作用O2释放总量=环境中O2增加量+细胞呼吸O2消耗量光合作用的实际产氧量=实测氧气的释放量＋细胞呼吸的消耗量净光合作用的葡萄糖产量=光合作用实际葡萄糖生产量－细胞呼吸葡萄糖的消耗量（2）当光合作用＜细胞呼吸光合作用吸收的CO2量＝细胞呼吸释放的CO2量－环境中增加的CO2量光合作用释放O2的量＝细胞呼吸消耗的O2量－环境中减少的O2量如果将上述公式推广到葡萄糖，则得到下列公式：真光合作用葡萄