光合作用与细胞呼吸的考向分析

陆晓梅 李 朋 蒋立锋

(1.江苏省靖江市第一高级中学 2.陕西省西安市铁一中学 3.陕西省柞水中学)

1.一体——光合与呼吸流程图

虽然考查光合作用与细胞呼吸的高考试题题型多样,问法不同,角度多变,但都离不开光合作用与细胞呼吸的综合流程图这一“灵魂”。可用图1与图2简要表示:

图1 光合作用与细胞呼吸的物质与能量转化流程图

图2 生态系统中的能量转化流程图

流程图简洁而清晰地显示了各种分子的转换关系和场所,该图形有助于解决教学中的物质与能量转换问题,其中,相似的概念应重点加以区分,如三碳化合物、能量、酶、生物膜等。

2.四向

依托光合作用和细胞呼吸过程,高考的考查主要涉及四方面:物质、能量与场所的特性;速率与含量的关系;模型建构及应用;实践探索与应用。这四个方面相辅相成、层层深入,从构建物质与能量观的基本概念出发,通过科学思维攀升,依托科学探究,最终落实到生产实践与应用的社会责任,实现生物学科核心素养的系统性考查与培养。上述四个方面可归纳为以下四个考向。

2.1 静态——考过程

这类试题主要考查对流程图的识记,物质、能量、场所等同类概念的比较,属于识记层次的考查,题目相对简单,答案相对简洁且固定。

【例1】(2017年新课标Ⅱ,29,节选)图3是表示某植物叶肉细胞光合作用和呼吸作用的示意图。据图回答下列问题:

图3

(1)图中①、②、③、④代表的物质依次是________、________、________、________,[H]代表的物质主要是____________。

(2)B代表一种反应过程,C代表细胞质基质,D代表线粒体,则ATP合成发生在A过程,还发生在________(填“B和C”“C和D”或“B和D”)。

【答案】(1)O2NADP+ADP+Pi C5NADH(或答:还原型辅酶Ⅰ) (2)C和D

【例2】(2020年山东卷,21,节选)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如图4所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。

图4

(1)该系统中执行相当于叶绿体中光反应功能的模块是____________,模块3中的甲可与CO2结合,甲为____________。

【答案】(1)模块1和模块2 五碳化合物(或C5)

上述两题对流程图考查的情境不同,知识载体的本质是一样的,均为考查光合作用和细胞呼吸的原理及应用。例2从侧面体现了人们研究光合作用与细胞呼吸的一个目的——通过人造机器模仿光合作用过程,以期解决人类对粮食与能源的需求。通过类比推理的思想能够相对容易地解决这种新情境问题。教学中也应该适时渗透这一思想,以培养学生的科学思维,如动物细胞的培养条件可类比内环境条件,生态缸的设计可类比自然生态系统,人工胰岛的设计可类比人体胰岛的结构与功能特点等。

虽然记忆性的知识是比较低阶的思维要求,但没有基本概念的掌握,高阶思维的培养也无法开展。为实现准确而高效的记忆,笔者的建议如下:一是要整体性认知光合作用与细胞呼吸的流程图,建立记忆逻辑。二是分步骤提高认知要求,先要会讲解流程图,其次要能区分相似概念(阶段、场所、能量),再次要会准确默写流程图。

2.2 动态——考变化

对光合作用与细胞呼吸的动态考查是一种对生命观念稍高水平的考查方式,要求学生在熟记流程图的基础上,能够想象动态过程,理解相关的转化关系,通过严谨的理性思维,推理得出正确结果或结论。此类题型基本以两种形式呈现:一是以因推果,即改变条件直接考查物质变化,二是以果溯因,即通过物质变化回推条件变化。

【例3】(2011年新课标,29)在光照等适宜条件下,将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中,其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如图5。回答问题:

图5

(1)图中物质A是________(填“C3化合物”或“C5化合物”)。

(2)在CO2浓度为1%的环境中,物质B的浓度比A的低,原因是____________;将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后,物质B浓度升高的原因是____________。

(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中,暗反应中C3和C5化合物浓度达到稳定时,物质A的浓度将比B的________(填“低”或“高”)。

(4)CO2浓度为0.003%时,该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的________(填“低”或“高”),其原因

。

【答案】(1)C3化合物 (2)暗反应速率在该环境中已达到稳定,即C3和C5化合物的含量稳定。根据暗反应的特点,此时C3化合物的分子数是C5化合物的2倍 当CO2浓度突然降低时,C5化合物的合成速率不变,消耗速率却减慢,导致C5化合物积累 (3)高 (4)低 CO2浓度低时,暗反应的强度低,所需ATP和[H]少

【例4】(2020年,山东卷,21,节选)人工光合作用系统可利用太阳能合成糖类,相关装置及过程如图6所示,其中甲、乙表示物质,模块3中的反应过程与叶绿体基质内糖类的合成过程相同。

图6

(2)若正常运转过程中气泵突然停转,则短时间内乙的含量将________(填“增加”或“减少”)。若气泵停转时间较长,模块2中的能量转换效率也会发生改变,原因是________________。

(3)在与植物光合作用固定的CO2量相等的情况下,该系统糖类的积累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是________________。

【答案】(2)减少 模块3为模块2提供的ADP、Pi和NADP+不足 (3)人工光合作用系统没有呼吸作用消耗糖类(或:植物呼吸作用消耗糖类)

这类问题必须借助光合作用与细胞呼吸的动态平衡模型来分析,各个关联步骤之间的速率及物质含量变化可借助“弹簧”模型来分析,呈现加速与减速、瞬间与时段的相关变化,形象直观地解决由结果找原因或者由原因推结果的问题。

2.3 速率——考曲线

速率问题较为复杂,需要学生对同一分析对象(细胞、组织、器官、个体、种群、群落)的产生与消耗的过程有非常清晰的认知,准确分析判断不同条件下对象的产生与消耗的途径及速率。

【例5】(2014年新课标Ⅱ,29)某植物净光合速率变化趋势如图7所示。据图回答下列问题:

图7

(1)当CO2浓度为a时,高光强下该植物的净光合速率为________,CO2浓度在a～b之间时,曲线________表示了净光合速率随CO2浓度的增高而增高。

(2)CO2浓度大于c时,曲线B和C所表示的净光合速率不再增加,限制其增加的环境因素是________。

(3)当环境中CO2浓度小于a时,在图示的3种光强下,该植物呼吸作用产生的CO2量________(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用吸收的CO2量。

(4)据图可推测,在温室中,若要采取提高CO2浓度的措施来提高该种植物的产量,还应该同时考虑________这一因素的影响,并采取相应措施。

【答案】(1)0 A、B和C (2)光强 (3)大于 (4)光强

【例6】(2018年全国Ⅲ卷,29题,节选)回答下列问题:

(2)植物的叶面积与产量关系密切。叶面积系数(单位土地面积上的叶面积总和)与植物群体光合速率、呼吸速率及干物质积累速率之间的关系如图8所示。由图可知:当叶面积系数小于a时,随叶面积系数增加,群体光合速率和干物质积累速率均________。当叶面积系数超过b时,群体干物质积累速率降低,其原因是

图8

。

(3)通常,与阳生植物相比,阴生植物光合作用吸收与呼吸作用放出的CO2量相等时所需要的光照强度________(填“高”或“低”)。

【答案】(2)增加 群体光合速率不变,但群体呼吸速率仍在增加,故群体干物质积累速率降低 (3)低

有关速率的曲线考查,多集中在特殊点、线段、斜率等几个方面,概念关系多集中在光合速率、呼吸速率、净光合速率大小关系及其指标等方面,配合细胞水平的光合作用与细胞呼吸间的物质转换关系,有助于曲线成因分析(如图9所示)。

图9 细胞水平的光合作用与细胞呼吸关系

2.4应用——考实验

从生命系统的层次来看,分子、细胞、组织、器官、个体、种群、群落、生态系统及生物圈均会涉及光合作用与细胞呼吸,其实质是光合作用与细胞呼吸在时间与空间的区别和联系,理清暂时与永恒、局部与整体辩证关系。其中,以植株为实验对象最为常见,考查内容为实验原理、基本原则、结果呈现与分析、延伸实验等。

对于各种光合作用与细胞呼吸的实验装置,究其实质和来源,无外乎教材中光合作用与细胞呼吸发现历程的实验和现代技术手段相结合的模式。可用模型概括:

实验目的测定有氧呼吸速率测定净光合速率烧杯内试剂氢氧化钠溶液碳酸氢钠有色液滴移动左移左、右移或不移原理氧气减少二氧化碳浓度不变,反映植物光合作用产生的氧气量与有氧呼吸消耗的氧气量的差值

(注:烧杯内溶液中的CO2很难和植物光合作用与细胞呼吸引起的CO2变化建立动态平衡,故此装置模型为一种理想模型)

该装置借助密闭空间中的气体变化,来反映生物的相关生理过程的关系,可分为探究呼吸方式、探究呼吸底物种类和探究净光合速率三种。总体来看,该装置的目的是探究细胞呼吸和光合作用,由于内部生物的不同、条件的不同,可分别反映不同层次的细胞呼吸和光合作用的差异。如黑暗时,可测细胞呼吸;如将其制成生态瓶,则可以测净生产量。

【例7】(2017年,江苏卷,29)科研人员对猕猴桃果肉的光合色素、光合放氧特性进行了系列研究。图11为光合放氧测定装置示意图,图12为不同光照条件下果肉随时间变化的光合放氧曲线。请回答下列问题:

图11

图12

(1)取果肉薄片放入含乙醇的试管,并加入适量________,以防止叶绿素降解。长时间浸泡在乙醇中的果肉薄片会变成白色,原因是

。

(2)图11中影响光合放氧速率的因素有________。氧电极可以检测反应液中氧气的浓度,测定前应排除反应液中________的干扰。

(3)图11在反应室中加入NaHCO3的主要作用是________。若提高反应液中NaHCO3浓度,果肉放氧速率的变化是____________(填“增大”“减小”“增大后稳定”或“稳定后减小”)。

(4)图12中不同时间段曲线的斜率代表光合放氧的速率,对15～20 min曲线的斜率几乎不变的合理解释是________;若在20 min后停止光照,则短时间内叶绿体中含量减少的物质有________(填序号:①C5②ATP ③[H] ④C3),可推测20～25 min曲线的斜率为________(填“正值”“负值”或“零”)。

【答案】(1)CaCO3光合色素溶解在乙醇中 (2)光照、温度、CO2(NaHCO3)浓度 溶解氧 (3)提供CO2增大后稳定 (4)光合产氧量与呼吸耗氧量相等 ①②③ 负值

光合作用与细胞呼吸的探究性实验考查中,经常涉及单一自变量和多种自变量,近些年多涉及多种自变量的综合性考查,主要考点集中在自变量、因变量、无关变量分析、设置对照的方式方法、复杂实验数据的分析、实验方案评价、深层实验思路设计等。

【例8】(2022年,广东卷,18题)研究者将玉米幼苗置于三种条件下培养10天后(图13a),测定相关指标(图13b),探究遮阴比例对植物的影响。

a

回答下列问题:

(1)结果显示,与A组相比,C组叶片叶绿素含量________,原因可能是____________。

(2)比较图13b中B1与A组指标的差异,并结合B2相关数据,推测B组的玉米植株可能会积累更多的________,因而生长更快。

(3)某兴趣小组基于上述B组条件下玉米生长更快的研究结果,作出该条件可能会提高作物产量的推测,由此设计了初步实验方案进行探究:

实验材料:选择前期________一致、生长状态相似的某玉米品种幼苗90株。

实验方法:按图13a所示的条件,分A、B、C三组培养玉米幼苗,每组30株;其中以________为对照,并保证除________外其他环境条件一致。收获后分别测量各组玉米的籽粒重量。

结果统计:比较各组玉米的平均单株产量。

分析讨论:如果提高玉米产量的结论成立,下一步探究实验的思路是____________。

【答案】(1)较高 适应低光照条件,积累更多的叶绿素以捕获更多光能 (2)光合产物 (3)培养条件 A组和C组 光照条件 以其他作物为材料重复上述实验(合理即可)