光合作用與細胞呼吸的考向分析

陸曉梅 李 朋 蔣立鋒

(1.江蘇省靖江市第一高級中學 2.陜西省西安市鐵一中學 3.陜西省柞水中學)

1.一體——光合與呼吸流程圖

雖然考查光合作用與細胞呼吸的高考試題題型多樣,問法不同,角度多變,但都離不開光合作用與細胞呼吸的綜合流程圖這一“靈魂”?？捎脠D1與圖2簡要表示:

圖1 光合作用與細胞呼吸的物質與能量轉化流程圖

圖2 生態(tài)系統(tǒng)中的能量轉化流程圖

流程圖簡潔而清晰地顯示了各種分子的轉換關系和場所,該圖形有助于解決教學中的物質與能量轉換問題,其中,相似的概念應重點加以區(qū)分,如三碳化合物、能量、酶、生物膜等。

2.四向

依托光合作用和細胞呼吸過程,高考的考查主要涉及四方面:物質、能量與場所的特性;速率與含量的關系;模型建構及應用;實踐探索與應用。這四個方面相輔相成、層層深入,從構建物質與能量觀的基本概念出發(fā),通過科學思維攀升,依托科學探究,最終落實到生產實踐與應用的社會責任,實現(xiàn)生物學科核心素養(yǎng)的系統(tǒng)性考查與培養(yǎng)。上述四個方面可歸納為以下四個考向。

2.1 靜態(tài)——考過程

這類試題主要考查對流程圖的識記,物質、能量、場所等同類概念的比較,屬于識記層次的考查,題目相對簡單,答案相對簡潔且固定。

【例1】(2017年新課標Ⅱ,29,節(jié)選)圖3是表示某植物葉肉細胞光合作用和呼吸作用的示意圖。據(jù)圖回答下列問題:

圖3

(1)圖中①、②、③、④代表的物質依次是________、________、________、________,[H]代表的物質主要是____________。

(2)B代表一種反應過程,C代表細胞質基質,D代表線粒體,則ATP合成發(fā)生在A過程,還發(fā)生在________(填“B和C”“C和D”或“B和D”)。

【答案】(1)O2NADP+ADP+Pi C5NADH(或答:還原型輔酶Ⅰ) (2)C和D

【例2】(2020年山東卷,21,節(jié)選)人工光合作用系統(tǒng)可利用太陽能合成糖類,相關裝置及過程如圖4所示,其中甲、乙表示物質,模塊3中的反應過程與葉綠體基質內糖類的合成過程相同。

圖4

(1)該系統(tǒng)中執(zhí)行相當于葉綠體中光反應功能的模塊是____________,模塊3中的甲可與CO2結合,甲為____________。

【答案】(1)模塊1和模塊2 五碳化合物(或C5)

上述兩題對流程圖考查的情境不同,知識載體的本質是一樣的,均為考查光合作用和細胞呼吸的原理及應用。例2從側面體現(xiàn)了人們研究光合作用與細胞呼吸的一個目的——通過人造機器模仿光合作用過程,以期解決人類對糧食與能源的需求。通過類比推理的思想能夠相對容易地解決這種新情境問題。教學中也應該適時滲透這一思想,以培養(yǎng)學生的科學思維,如動物細胞的培養(yǎng)條件可類比內環(huán)境條件,生態(tài)缸的設計可類比自然生態(tài)系統(tǒng),人工胰島的設計可類比人體胰島的結構與功能特點等。

雖然記憶性的知識是比較低階的思維要求,但沒有基本概念的掌握,高階思維的培養(yǎng)也無法開展。為實現(xiàn)準確而高效的記憶,筆者的建議如下:一是要整體性認知光合作用與細胞呼吸的流程圖,建立記憶邏輯。二是分步驟提高認知要求,先要會講解流程圖,其次要能區(qū)分相似概念(階段、場所、能量),再次要會準確默寫流程圖。

2.2 動態(tài)——考變化

對光合作用與細胞呼吸的動態(tài)考查是一種對生命觀念稍高水平的考查方式,要求學生在熟記流程圖的基礎上,能夠想象動態(tài)過程,理解相關的轉化關系,通過嚴謹?shù)睦硇运季S,推理得出正確結果或結論。此類題型基本以兩種形式呈現(xiàn):一是以因推果,即改變條件直接考查物質變化,二是以果溯因,即通過物質變化回推條件變化。

【例3】(2011年新課標,29)在光照等適宜條件下,將培養(yǎng)在CO2濃度為1%環(huán)境中的某植物迅速轉移到CO2濃度為0.003%的環(huán)境中,其葉片暗反應中C3和C5化合物微摩爾濃度的變化趨勢如圖5。回答問題:

圖5

(1)圖中物質A是________(填“C3化合物”或“C5化合物”)。

(2)在CO2濃度為1%的環(huán)境中,物質B的濃度比A的低,原因是____________;將CO2濃度從1%迅速降低到0.003%后,物質B濃度升高的原因是____________。

(3)若使該植物繼續(xù)處于CO2濃度為0.003%的環(huán)境中,暗反應中C3和C5化合物濃度達到穩(wěn)定時,物質A的濃度將比B的________(填“低”或“高”)。

(4)CO2濃度為0.003%時,該植物光合速率最大時所需要的光照強度比CO2濃度為1%時的________(填“低”或“高”),其原因

。

【答案】(1)C3化合物 (2)暗反應速率在該環(huán)境中已達到穩(wěn)定,即C3和C5化合物的含量穩(wěn)定。根據(jù)暗反應的特點,此時C3化合物的分子數(shù)是C5化合物的2倍 當CO2濃度突然降低時,C5化合物的合成速率不變,消耗速率卻減慢,導致C5化合物積累 (3)高 (4)低 CO2濃度低時,暗反應的強度低,所需ATP和[H]少

【例4】(2020年,山東卷,21,節(jié)選)人工光合作用系統(tǒng)可利用太陽能合成糖類,相關裝置及過程如圖6所示,其中甲、乙表示物質,模塊3中的反應過程與葉綠體基質內糖類的合成過程相同。

圖6

(2)若正常運轉過程中氣泵突然停轉,則短時間內乙的含量將________(填“增加”或“減少”)。若氣泵停轉時間較長,模塊2中的能量轉換效率也會發(fā)生改變,原因是________________。

(3)在與植物光合作用固定的CO2量相等的情況下,該系統(tǒng)糖類的積累量________(填“高于”“低于”或“等于”)植物,原因是________________。

【答案】(2)減少 模塊3為模塊2提供的ADP、Pi和NADP+不足 (3)人工光合作用系統(tǒng)沒有呼吸作用消耗糖類(或:植物呼吸作用消耗糖類)

這類問題必須借助光合作用與細胞呼吸的動態(tài)平衡模型來分析,各個關聯(lián)步驟之間的速率及物質含量變化可借助“彈簧”模型來分析,呈現(xiàn)加速與減速、瞬間與時段的相關變化,形象直觀地解決由結果找原因或者由原因推結果的問題。

2.3 速率——考曲線

速率問題較為復雜,需要學生對同一分析對象(細胞、組織、器官、個體、種群、群落)的產生與消耗的過程有非常清晰的認知,準確分析判斷不同條件下對象的產生與消耗的途徑及速率。

【例5】(2014年新課標Ⅱ,29)某植物凈光合速率變化趨勢如圖7所示。據(jù)圖回答下列問題:

圖7

(1)當CO2濃度為a時,高光強下該植物的凈光合速率為________,CO2濃度在a～b之間時,曲線________表示了凈光合速率隨CO2濃度的增高而增高。

(2)CO2濃度大于c時,曲線B和C所表示的凈光合速率不再增加,限制其增加的環(huán)境因素是________。

(3)當環(huán)境中CO2濃度小于a時,在圖示的3種光強下,該植物呼吸作用產生的CO2量________(填“大于”“等于”或“小于”)光合作用吸收的CO2量。

(4)據(jù)圖可推測,在溫室中,若要采取提高CO2濃度的措施來提高該種植物的產量,還應該同時考慮________這一因素的影響,并采取相應措施。

【答案】(1)0 A、B和C (2)光強 (3)大于 (4)光強

【例6】(2018年全國Ⅲ卷,29題,節(jié)選)回答下列問題:

(2)植物的葉面積與產量關系密切。葉面積系數(shù)(單位土地面積上的葉面積總和)與植物群體光合速率、呼吸速率及干物質積累速率之間的關系如圖8所示。由圖可知:當葉面積系數(shù)小于a時,隨葉面積系數(shù)增加,群體光合速率和干物質積累速率均________。當葉面積系數(shù)超過b時,群體干物質積累速率降低,其原因是

圖8

。

(3)通常,與陽生植物相比,陰生植物光合作用吸收與呼吸作用放出的CO2量相等時所需要的光照強度________(填“高”或“低”)。

【答案】(2)增加 群體光合速率不變,但群體呼吸速率仍在增加,故群體干物質積累速率降低 (3)低

有關速率的曲線考查,多集中在特殊點、線段、斜率等幾個方面,概念關系多集中在光合速率、呼吸速率、凈光合速率大小關系及其指標等方面,配合細胞水平的光合作用與細胞呼吸間的物質轉換關系,有助于曲線成因分析(如圖9所示)。

圖9 細胞水平的光合作用與細胞呼吸關系

2.4應用——考實驗

從生命系統(tǒng)的層次來看,分子、細胞、組織、器官、個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)及生物圈均會涉及光合作用與細胞呼吸,其實質是光合作用與細胞呼吸在時間與空間的區(qū)別和聯(lián)系,理清暫時與永恒、局部與整體辯證關系。其中,以植株為實驗對象最為常見,考查內容為實驗原理、基本原則、結果呈現(xiàn)與分析、延伸實驗等。

對于各種光合作用與細胞呼吸的實驗裝置,究其實質和來源,無外乎教材中光合作用與細胞呼吸發(fā)現(xiàn)歷程的實驗和現(xiàn)代技術手段相結合的模式。可用模型概括:

實驗目的測定有氧呼吸速率測定凈光合速率燒杯內試劑氫氧化鈉溶液碳酸氫鈉有色液滴移動左移左、右移或不移原理氧氣減少二氧化碳濃度不變,反映植物光合作用產生的氧氣量與有氧呼吸消耗的氧氣量的差值

(注:燒杯內溶液中的CO2很難和植物光合作用與細胞呼吸引起的CO2變化建立動態(tài)平衡,故此裝置模型為一種理想模型)

該裝置借助密閉空間中的氣體變化,來反映生物的相關生理過程的關系,可分為探究呼吸方式、探究呼吸底物種類和探究凈光合速率三種。總體來看,該裝置的目的是探究細胞呼吸和光合作用,由于內部生物的不同、條件的不同,可分別反映不同層次的細胞呼吸和光合作用的差異。如黑暗時,可測細胞呼吸;如將其制成生態(tài)瓶,則可以測凈生產量。

【例7】(2017年,江蘇卷,29)科研人員對獼猴桃果肉的光合色素、光合放氧特性進行了系列研究。圖11為光合放氧測定裝置示意圖,圖12為不同光照條件下果肉隨時間變化的光合放氧曲線。請回答下列問題:

圖11

圖12

(1)取果肉薄片放入含乙醇的試管,并加入適量________,以防止葉綠素降解。長時間浸泡在乙醇中的果肉薄片會變成白色,原因是

。

(2)圖11中影響光合放氧速率的因素有________。氧電極可以檢測反應液中氧氣的濃度,測定前應排除反應液中________的干擾。

(3)圖11在反應室中加入NaHCO3的主要作用是________。若提高反應液中NaHCO3濃度,果肉放氧速率的變化是____________(填“增大”“減小”“增大后穩(wěn)定”或“穩(wěn)定后減小”)。

(4)圖12中不同時間段曲線的斜率代表光合放氧的速率,對15～20 min曲線的斜率幾乎不變的合理解釋是________;若在20 min后停止光照,則短時間內葉綠體中含量減少的物質有________(填序號:①C5②ATP ③[H] ④C3),可推測20～25 min曲線的斜率為________(填“正值”“負值”或“零”)。

【答案】(1)CaCO3光合色素溶解在乙醇中 (2)光照、溫度、CO2(NaHCO3)濃度 溶解氧 (3)提供CO2增大后穩(wěn)定 (4)光合產氧量與呼吸耗氧量相等 ①②③ 負值

光合作用與細胞呼吸的探究性實驗考查中,經(jīng)常涉及單一自變量和多種自變量,近些年多涉及多種自變量的綜合性考查,主要考點集中在自變量、因變量、無關變量分析、設置對照的方式方法、復雜實驗數(shù)據(jù)的分析、實驗方案評價、深層實驗思路設計等。

【例8】(2022年,廣東卷,18題)研究者將玉米幼苗置于三種條件下培養(yǎng)10天后(圖13a),測定相關指標(圖13b),探究遮陰比例對植物的影響。

a

回答下列問題:

(1)結果顯示,與A組相比,C組葉片葉綠素含量________,原因可能是____________。

(2)比較圖13b中B1與A組指標的差異,并結合B2相關數(shù)據(jù),推測B組的玉米植株可能會積累更多的________,因而生長更快。

(3)某興趣小組基于上述B組條件下玉米生長更快的研究結果,作出該條件可能會提高作物產量的推測,由此設計了初步實驗方案進行探究:

實驗材料:選擇前期________一致、生長狀態(tài)相似的某玉米品種幼苗90株。

實驗方法:按圖13a所示的條件,分A、B、C三組培養(yǎng)玉米幼苗,每組30株;其中以________為對照,并保證除________外其他環(huán)境條件一致。收獲后分別測量各組玉米的籽粒重量。

結果統(tǒng)計:比較各組玉米的平均單株產量。

分析討論:如果提高玉米產量的結論成立,下一步探究實驗的思路是____________。

【答案】(1)較高 適應低光照條件,積累更多的葉綠素以捕獲更多光能 (2)光合產物 (3)培養(yǎng)條件 A組和C組 光照條件 以其他作物為材料重復上述實驗(合理即可)