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光合作用的意义,「高考解析」2021生物高考真题速递——光合作用专题

发布日期:2021-08-27 09:14:52 来源: 编辑: 阅读: 0

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2021年高考已经结束,全国共16套生物考卷。虽然内容呈现各异,整体来看,生物试题命制稳中求新、立足基础,回归课堂教学。问题情境来源于全球性问题、社会热点和生命科学研究前沿等。考查考生分析问题的科学思维过程,运用科学探究解决问题的思路与方法,为考生展现其批判性思维和创造性思维提供机会,并通过材料学习类的试题考查考生对非连续文本的信息提取等学习能力。


在历年各地高考中,光合作用是高考必考的重点亦是难点,今天小编老师就和大家一起通过矩道高中生物VR/3D虚拟仿真实验室的资源来解析今年新出炉的生物高考真题。




【2021年新高考生物.湖南.18题】


图a为叶绿体的结构示意图,图b为叶绿体中某种生物膜的部分结构及光反应过程的简化示意图。回答下列问题:


1)图b表示图a中的______结构,膜上发生的光反应过程将水分解成O₂、H⁺和e⁻,光能转化成电能,最终转化为______和ATP中活跃的化学能。若CO₂浓度降低,暗反应速率减慢,叶绿体中电子受体NADP⁺减少,则图b中电子传递速率会______(填“加快”或“减慢”)。


(2)为研究叶绿体的完整性与光反应的关系,研究人员用物理、化学方法制备了4种结构完整性不同的叶绿体,在离体条件下进行实验,用Fecy或DCIP替代NADP⁺为电子受体,以相对放氧量表示光反应速率,实验结果如表所示。


注:Fecy具有亲水性,DCIP具有亲脂性。


据此分析:


①叶绿体A和叶绿体B的实验结果表明,叶绿体双层膜对以_________(填“Fecy”或“DCIP”)为电子受体的光反应有明显阻碍作用。得出该结论的推理过程是_________。


②该实验中,光反应速率最高的是叶绿体C,表明在无双层膜阻碍、类囊体又松散的条件下,更有利于_________,从而提高光反应速率。


③以DCIP为电子受体进行实验,发现叶绿体A、B、C和D的ATP产生效率的相对值分别为1、0.66、0.58和0.41。结合图b对实验结果进行解释_________。




【直击考点】


本题考查叶绿体的结构和功能,光反应过程中的物质和能量变化。




【光合作用过程详析】


叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。叶绿体由内外两层膜、类囊体和叶绿体基质构成。类囊体是一种扁平的囊状,在类囊体膜上,分布着进行光合作用所需要的色素和酶。叶绿体内膜与类囊体之间充满着基质,基质中也含有进行光合作用所需要的酶,还含有少量DNA分子。


光合作用可以分为两个阶段,即光反应阶段和暗反应阶段。实际上,光反应和暗反应不仅同时进行,而且耦合在一起,共同完成光合作用。




(光合作用--光反应)


(光合作用--暗反应)




光反应发生在叶绿体类囊体膜上,必须在有光的条件下才能进行。光合色素和与光反应有关的酶就分布在类囊体薄膜上。镶嵌在类囊体膜上的色素分子整齐的排列在一起,它们能够捕获光能,将光能传递给位于反应中心的色素分子,该色素分子被激发,释放出一个高能电子,使水分解成H⁺和O₂,O₂扩散进入大气。


色素分子失去的电子被类囊体膜上的特殊蛋白质(光系统Ⅱ → 质体醌 → 细胞色素bf复合物 → 质体蓝素 → 光系统Ⅰ → 铁氧还蛋白 → NADP还原酶)俘获,这些蛋白质利用电子携带的能量将H⁺从叶绿体基质泵入类囊体腔,并最终把电子传递给NADP⁺(氧化型辅酶Ⅱ),NADP⁺获得电子后与H⁺结合,生成NADPH(即还原型辅酶Ⅱ,,常表示为[H])。类囊体膜上嵌有ATP合成酶,类囊体腔中的H⁺顺浓度梯度经ATP合成酶返回叶绿体基质,推动ATP的合成。


这一过程,涉及水的裂解、电子传递、ATP生成和NADP⁺还原。在光反应中,光合色素吸收光能,水裂解释放O₂,电子传递,ATP和NADPH的形成是耦合在一起的,共同完成光反应。总之光反应可以概括为水的光解、[H]的生成和ATP的生成这3组反应,将光能转变成了ATP和[H]中活跃的化学能并产生O₂。


在暗反应阶段中,绿叶细胞从外界吸收的CO₂进入叶绿体基质,与细胞中的一种五碳化合物(C₅)结合,形成两个三碳化合物(C₃),这个过程称为CO₂的固定。在有关酶的催化下,C₃接受光反应阶段提供的物质和能量(ATP/NADPH),经过一系列生化反应,部分转变为糖类,另一部分又形成C₅,继续参与CO₂的固定。


暗反应是由酶催化的一系列复杂的生化反应。在这一过程中,将光反应过程中形成的ATP和NADpH中的化学能,转化为存储在糖分子中的化学能。


ATP和NADPH是联系光反应和暗反应的纽带。光反应和暗反应是两个相对独立的过程。光反应高度依赖光照,暗反应不需要光照,但依赖于光反应提供的ATP和NADPH,暗反应消耗ATP和NADPH后生成的ADP和NADP⁺又是光反应不可缺少的原料。光反应和暗反应共同构成了生物圈最重要的化学反应——光合作用。


光合作用的实质是植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获光能,这些能量在CO₂和H₂O变为糖与O₂的过程中,转换并存储为糖分子中的化学能。




【试题解析】


图a表示叶绿体的结构,图b中有水的光解和ATP的生成,表示光合作用的光反应过程。


(1)光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上,即图b表示图a的类囊体膜,光反应过程中,色素吸收的光能最终转化为ATP和NADPH中活跃的化学能,若二氧化碳浓度降低,暗反应速率减慢,叶绿体中电子受体NADP⁺减少,则图b中的电子去路受阻,电子传递速率会减慢。


(2)①比较叶绿体A和叶绿体B的实验结果,实验一中叶绿体B双层膜局部受损时,以Fecy为电子受体的放氧量明显大于双层膜完整时,实验二中叶绿体B双层膜局部受损时,以DCIP为电子受体的放氧量与双层膜完整时无明显差异;结合所给信息:“Fecy具有亲水性,而DCIP具有亲脂性”,可推知叶绿体双层膜对以Fecy为电子受体的光反应有明显阻碍作用。②在无双层膜阻碍、类囊体松散的条件下,更有利于类囊体上的色素吸收、转化光能,从而提高光反应速率,所以该实验中,光反应速率最高的是叶绿体C。③根据图b可知,ATP的合成依赖于水光解的电子传递和氢离子顺浓度梯度通过囊体薄膜上的ATP合酶,叶绿体A、B、C、D类囊体薄膜的受损程度依次增大,因此ATP的产生效率逐渐降低。




【试题答案】


(1). 类囊体膜


(2). NADPH


(3). 减慢


(4). Fecy


(5). 实验一中叶绿体B双层膜局部受损时,以Fecy为电子受体的放氧量明显大于双层膜完整时,实验二中叶绿体B双层膜局部受损时,以DCIP为电子受体的放氧量与双层膜完整时无明显差异;结合所给信息:“Fecy具有亲水性,而DCIP具有亲脂性”,可推知叶绿体双层膜对以Fecy为电子受体的光反应有明显阻碍作用


(6). 类囊体上的色素吸收光能、转化光能


(7). ATP的合成依赖于水光解的电子传递和氢离子顺浓度梯度通过囊体薄膜上的ATP合酶,叶绿体A、B、C、D类囊体薄膜的受损程度依次增大,因此ATP的产生效率逐渐降低。




湖南省生物卷18题第2小题属于让学生在新情境中解决问题类题目,此类题目综合性强,难度大。试题创设科研情境,通过设置不同层次的任务,从不同侧面考查学生的科学思维习惯和能力。要求学生能够基于事实和证据,运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等科学的思维方法认识事物、解决实际问题。试题解答的过程也是科研问题解决的过程,在学习过程中逐步发展科学思维。




高考热点&难点追踪:光合作用过程关联的高考试题中的探究类试题资源


1、基于米切尔的化学渗透假说和贾格道夫实验,探究光合作用中ATP的生成机理


类比设问:水因高度差而具有的重力势能可以转化成电能,阿尔农实验的产物ATP中的能量从哪里来?


资料支持:叶绿体类囊体内的PH值大约为4,叶绿体类囊体外的PH值大约为8,即叶绿体类囊体内的H⁺渗透能大于叶绿体类囊体外的渗透能。


提出假说:ATP的合成是由于叶绿体类囊体内外H⁺浓度差引起的。


设计实验:向叶绿体类囊体腔内注射HCl,检测ATP的生成。


经典实验印证:米切尔化学渗透假说:光照引起水的裂解,水释放的H⁺留在类囊体膜内侧。这样,膜内侧H⁺浓度高而膜外侧低,于是膜内外产生H⁺浓度差和电位差,当H⁺沿着浓度差返回膜外侧时,在ATP合成酶的催化下,ADP和Pi合成ATP。


经典实验印证:贾格道夫实验:离体叶绿体类囊体置于pH4的酸性溶液中,平衡后将类囊体转移到含有ADP和Pi的pH8的缓冲液中,由此产生的H⁺梯度为无光的情况下的ATP合成提供了驱力,如图下图所示。


资料印证:一种蛋白质上的两个不同功能:H⁺通道和ATP合成酶,如ATP合成酶合成ATP的过程图中所示。


构建模型:构建光合作用中类似于ATP合成酶模式图。


(贾格道夫实验)


(ATP合成酶合成ATP的过程)


(光合作用中类囊体膜上的ATP合成酶)




2、卡尔文实验,探究暗反应(碳反应)过程中有机物生成顺序


设疑探究:CO₂生成有机物是直接生成的,还是一步步生成的?如果是一步步生成的,其先后顺序怎样?


类比提示:如果要研究“冰冻三尺”是瞬间完成的,还是一步步完成的。这个实验的自变量是什么?


设计实验:时间是本实验的自变量。用杀死生物的方法控制反应时间,用¹⁴CO₂来检测有机物生成的顺序。




经典实验印证:


卡尔文循环的发现:自1945年起加州大学的卡尔文和本森及其同事纠集300多人,用了近10年时间,消耗了5吨滤纸,才弄清的这个循环。卡尔文用小球藻做实验材料,将带有¹⁴C标记的CO₂通入到盛有小球藻的玻璃器皿中,给予充足的光照,每隔一定时间取样,并立即杀死小球藻。用甲醇将标记化合物提取出来,再通过纸层析法分离光合产物,根据被¹⁴C标记的化合物出现时间的先后,推测生化过程。光照30秒后检测产物,检测到了多种带¹⁴C标记的化合物。在5秒钟的光照后,卡尔文等同时检测到了含有放射性的五碳化合物(C₅)和六碳糖(C₆)。将光照时间逐渐缩短至几分之一秒时发现,90%的放射性出现在一种三碳化合物(C₃)中。结果如图7。


得出结论:CO₂先转化为C₃,再转化为C₅和C₆。


(暗反应过程中的物质循环)




【考点跟踪训练】


叶绿体在光下利用ADP和Pi合成ATP的过程称为光合磷酸化.为探究ATP形成的原动力.贾格道夫等科学家在黑暗中进行了如下实验.图中平衡的目的是让类囊体内部的pH和外界溶液相同.下列有关分析正确的是( )


A. 类囊体在pH为4的条件下被破坏


B. 在黑暗中进行实验的原因是避免光照产生O₂




C. 叶绿体合成ATP需要酸性环境


D. ATP的合成与膜两侧的pH差有关




【答案及解析】


A、如果类囊体在pH为4的条件下被破坏,则在pH值平衡前就不会产生ATP,A错误;


B、实验在黑暗中进行的目的是避免光照对ATP合成的影响,B错误;


C、根据实验结果可知,叶绿体合成ATP需要pH值差,C错误;


D、实验结果看出,pH值平衡前,加入ADP和Pi能够产生ATP,而平衡后加入ADP和Pi后不能产生ATP,说明叶绿体中ATP形成的原动力来自于类囊体膜两侧的pH值,D正确.
答案:D。




附:2021年高考生物全国卷试题评析


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