生物必修1《分子与细胞》第5章 细胞的能量供应和利用第4节 光合作用与能量转化二 光合作用的原理和应用习题

光合作用的原理

题组一　光合作用的概念及探索光合作用原理的部分实验

1．将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中，一段时间后植株达到40 g，其增加的质量来自(　　)

A．水、矿质元素和空气   B．光、矿质元素和水

C．水、矿质元素和土壤   D．光、矿质元素和空气

答案　A

解析　黄瓜幼苗可以吸收水，增加鲜重；也可以从土壤中吸收矿质元素，合成相关的化合物；也可以利用大气中二氧化碳进行光合作用制造有机物增加细胞干重。植物光合作用将光能转化成了有机物中的化学能，并没有增加黄瓜幼苗的质量，故黄瓜幼苗在光照下增加的质量来自水、矿质元素、空气。综上所述，A项符合题意。

2．探索光合作用原理的研究历程中，许多科学家设计了巧妙的实验。下列说法错误的是(　　)

A．恩格尔曼的实验证明了水绵光合作用主要利用红光和蓝紫光

B．离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气，称作希尔反应

C．鲁宾和卡门采用同位素示踪法证明释放的氧气中的氧来自二氧化碳

D．卡尔文探明了暗反应阶段CO2中的碳转化为有机物中碳的途径

答案　C

解析　鲁宾和卡门采用同位素示踪法证明释放的氧气中的氧来自水，C错误。

题组二　光合作用的原理

3．在实验室中，如果要测定藻类植物是否完成光反应，最好是检验其(　　)

A．氧气的释放量   B．ATP的生成量

C．二氧化碳的消耗量   D．糖类的合成量

答案　A

解析　光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段，光反应是指植物利用光能，将光能转变成ATP和NADPH中活跃的化学能，为暗反应提供能量，产生氧气，氧气易于检测，A正确、B错误；光合作用的暗反应实质是一系列的酶促反应，消耗二氧化碳并生成糖类，故检测二氧化碳的消耗量及糖类的合成量更适于测定是否完成暗反应，C、D错误。

4．如图表示绿色植物光合作用部分过程的图解，下列分析错误的是(　　)

A．该过程不需要光，发生的场所为叶绿体基质

B．细胞呼吸过程中也产生物质A，同样具有还原剂的作用

C．CO2中碳原子的转移途径是CO2→C3→糖类、C5

D．突然降低二氧化碳浓度，短时间内C5的含量迅速上升

答案　B

解析　该过程是光合作用的暗反应阶段，不需要光，发生的场所为叶绿体基质，A正确；细胞呼吸中产生的[H]实际上是还原型辅酶Ⅰ(NADH)，光合作用中产生的是还原型辅酶Ⅱ(NADPH)，B错误；暗反应中CO2首先被C5固定生成C3，C3再被还原生成(CH2O)和C5，故CO2转移途径是CO2→C3→(CH2O)、C5，C正确；突然降低二氧化碳浓度，C5的消耗量降低，而C5的合成量不变，所以短时间内C5的含量迅速上升，D正确。

5．光合作用过程包括光反应和暗反应，下图表示光反应与暗反应的关系，据图判断下列叙述不正确的是(　　)

A．光反应为暗反应提供ATP和NADPH

B．停止光照，叶绿体中ATP和NADPH含量下降

C．ATP的移动方向是由类囊体薄膜到叶绿体基质

D．植物在暗处可大量合成(CH2O)

答案　D

解析　植物在暗处，由于没有光照，产生的ATP和NADPH不足，导致暗反应产生的(CH2O)减少，D错误。

6．下列有关光合作用的叙述，正确的是(　　)

A．光反应和暗反应的进行都需要光

B．光反应和暗反应的进行都需要酶的参与

C．光反应和暗反应的进行都需要消耗ATP

D．光反应和暗反应都是在叶绿体的类囊体薄膜上进行

答案　B

解析　光合作用的暗反应不直接需要光，所以在光照和黑暗条件下都能进行，A错误；光反应和暗反应都是生物化学反应，生物化学反应要想能在通常情况下发生，都必须有酶的催化作用才能完成，B正确；光反应生成ATP，暗反应消耗ATP，C错误；光反应是在叶绿体的类囊体薄膜上进行，暗反应是在叶绿体的基质中进行，D错误。

7．CO2供应不足最终可影响到绿色植物释放O2减少，以下叙述中最直接的原因是(　　)

A．CO2供应不足使固定形成的C3减少

B．C3还原所消耗的ATP和NADPH减少

C．ATP和NADPH减少使光反应分解水减少

D．ADP、Pi、NADP＋减少使光反应分解水减少

答案　D

解析　根据光合作用过程可知，CO2供应不足，C3减少，光反应积累的NADPH和ATP的量相对增多，细胞中ADP、Pi、NADP＋相应地减少，光反应能力下降，分解水减少，释放O2减少。

8．在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是(　　)

A．红光，ATP减少

B．红光，未被还原的C3增多

C．绿光，NADPH减少

D．绿光，C5增多

答案　C

9．如图表示某生物膜结构及其发生的部分生理过程，下列叙述错误的是(　　)

A．图中膜结构表示叶绿体内膜，B侧为叶绿体基质

B．图示过程的能量变化是光能转变成ATP和NADPH中活跃的化学能

C．甲表示色素分子，其中类胡萝卜素主要吸收蓝紫光

D．图示光反应部分过程，水分解为氧和H＋的同时还产生电子

答案　A

解析　图示为叶绿体的类囊体薄膜，A侧为叶绿体基质，A错误；图示过程为光反应，能量变化是光能转变成ATP和NADPH中活跃的化学能，B正确；甲表示色素分子，其中叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，C正确。

10．如果某植物正常进行光合作用时，其叶绿体中NADPH的含量相对稳定，现如图在a点时突然停止供给CO2，则能表示该植物叶绿体中NADPH含量变化的曲线是(　　)

答案　B

解析　根据光合作用的反应过程，如果突然停止供给CO2，暗反应受到抑制，NADPH的消耗量减少；但光反应正常进行，NADPH的产生速率不变，故NADPH的量增多。随着时间延长，由于叶绿体内部因素的限制，NADPH含量达到最大后将不再增加。

11．(2022·江苏省海头高级中学高一期末)在光合作用的探究历程中，人们利用离体的叶绿体进行实验，逐渐探明了水的光解和NADPH的产生过程，如图所示(e－为负电子)。下列分析正确的是(　　)

A．完成过程①需要叶绿体色素，有无光照都可进行

B．过程②发生在类囊体薄膜上并存在能量的转换

C．NADPH进入叶绿体基质并参与合成C3的反应

D．自养生物细胞的过程①②均发生在叶绿体中

答案　B

解析　过程①是水在光下分解，需要叶绿体中的色素分子吸收的光能，故此过程必须在光照环境下才能发生，A错误；过程②表示NADPH的形成，发生在类囊体薄膜上，同时此过程把光能转化成的化学能储存在NADPH中，B正确；暗反应过程中，NADPH进入叶绿体基质并参与C3的还原反应，C错误；过程①②不一定是在叶绿体中进行，如自养生物蓝细菌为原核生物并没有叶绿体，也能发生过程①②，D错误。

12．科学家往小球藻培养液中通入14CO2后，分别给予小球藻不同时间的光照后检测放射性物质的分布情况，结果如表所示。

根据上述实验结果分析，下列叙述错误的是(　　)

A．本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段

B．每组实验照光后需对小球藻进行处理使酶失活，才能测定放射性物质的分布

C．CO2进入叶绿体后，最初形成的主要物质是多种磷酸化糖类

D．实验结果说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等

答案　C

解析　CO2进入叶绿体后，首先与C5生成3－磷酸甘油酸(三碳化合物)，C错误。

13．大豆与根瘤菌是互利共生的关系，大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢及运输途径如图所示。下列相关叙述错误的是(　　)

A．在酶催化下直接参与CO2固定的化学物质是C5

B．图示代谢途径中，催化固定 CO2形成C3(PGA)的酶在叶绿体基质中

C．图示根瘤菌可以通过光合作用将 N2转化为 NH3

D．催化 TP 合成蔗糖的酶在细胞质基质中，且合成蔗糖时消耗的能量主要来自线粒体

答案　C

解析　光合作用的暗反应过程中，CO2固定是CO2与C5反应生成C3(PGA)，A正确；光合作用的暗反应场所是叶绿体基质，所以图示代谢途径中，催化固定 CO2形成C3(PGA)的酶在叶绿体基质中，B正确；图示根瘤菌可以通过固氮酶将 N2转化为 NH3，C错误；由图示可知，催化 TP 合成蔗糖的酶在细胞质基质中。合成蔗糖时消耗的能量是ATP，主要来自细胞呼吸，细胞呼吸的主要场所是线粒体，D正确。

14．光合作用过程是许多科学家通过系列研究逐步揭示的。请回答问题：

(1)叶绿体是植物光合作用的场所，人们在电镜下观察叶绿体，可以发现叶绿体由双层膜包被，内部有许多圆饼状的囊状结构堆叠而成的________，吸收光能的________就分布在类囊体的薄膜上。

(2)氧气能与肌红蛋白可逆结合，并且非常灵敏，可用于定量测定微量氧。科学家打碎植物细胞，在叶片匀浆—肌红蛋白系统(含离体叶绿体)中加入Fe3＋或其他氧化剂，然后照光，观察到了氧合肌红蛋白的光谱变化，说明光照下产生了________。上述系统中有H2O，但没有CO2，推测水的光解与CO2消耗的过程可能相对独立。

(3)科学家进一步用离体叶绿体进行实验，实验组用CO2固定抑制剂处理，对照组不做处理，测定得到下图所示结果。

①据实验结果可知，实验组虽然________________几乎被完全抑制，但氧气产生量________________________________，由此可判断_____________________________。

②ATP合成虽然没有被完全抑制，但也显著降低，表明ATP合成过程并不与________过程同时进行。后续研究表明，这两个过程均发生在________阶段，两者存在一定关联。

答案　(1)基粒　光合色素　(2)氧气　(3)①CO2的固定　与对照组无显著差异　水的光解与CO2固定过程相对独立　②水的光解　光反应

解析　(1)叶绿体内部有许多圆饼状的囊状结构堆叠而成的基粒，其上分布有吸收光能的光合色素。(2)由于氧气能与肌红蛋白可逆结合，并且，在叶片匀浆—肌红蛋白系统观察到了氧合肌红蛋白的光谱变化，说明光照下产生了氧气。(3)①从图中看出实验组CO2的固定几乎被完全抑制，但氧气产生量与对照组无显著差异，氧气的产生是通过水的光解产生的，由此说明了水的光解与CO2固定过程相对独立。②ATP和氧气的产生(是通过水的光解产生)都是在光反应阶段产生的，从图中看出，实验组氧气产生量与对照组无显著差异，但ATP合成量显著降低，表明ATP合成过程并不与水的光解同步进行。

15．阅读下列材料，回答问题：

材料　在美国黄石公园的细菌垫以及澳大利亚的海滩岩等阴暗环境中，存在着一种蓝细菌。最新研究发现，这些细菌的特别之处在于，它们在光合作用过程中可使用“近红外光”，而不仅是我们使用的发生在大多数生物中的“可见红光”。光合系统能将太阳能转换成为化学能，从而为生命提供动力。在已知的所有植物、藻类、蓝细菌中都存在叶绿素a，几乎所有的有氧光合作用中，都需要依赖叶绿素a来收集可见光、再将可见光转化为化学物质和氧气。

然而，当一些蓝细菌在近红外光环境下生长时，含有叶绿素a的标准系统就会失效，而被含另一种叶绿素——叶绿素f的系统接管。在新的研究中，科学家发现，叶绿素f能吸收波长大于760 nm的光，是已知能吸收最大波长的光的叶绿素。

当处于荫蔽或者光线较暗的条件下时，叶绿素f就会在光合作用过程中起着关键性的作用，它能利用能量很低的近红外光来进行复杂的化学反应。

(1)如图为光合作用基本过程示意图，请结合图解回答下列问题：

①代表的生理阶段是________，②代表的细胞结构是________，③代表的物质是________；①为暗反应阶段提供了______________，暗反应中CO2的作用是_______________________。

(2)将你学过的光合作用知识并结合本材料进行比较，将不同之处填入下表。

(3)下列不属于本项研究重要发现的是________。

A．存在一种新的叶绿素——叶绿素f

B．具有叶绿素f的生物中无其他叶绿素

C．叶绿素f具有吸收近红外光的作用

D．叶绿素f在光合作用中起辅助作用

(4)请结合本材料，从生物进化角度，阐述叶绿素a和叶绿素f出现的可能顺序：______________

_______________________________________________________________________________。

答案　(1)光反应　叶绿体基质　O2　ATP、NADPH　与C5结合形成C3　(2)①叶绿素a、叶绿素b　②红光、蓝紫光　③叶绿素a、叶绿素f　④红外光、红光、蓝紫光　(3)B　(4)当处于荫蔽或者光线较暗的条件下时，叶绿素f就会在光合作用过程中起着关键性的作用。所以在地球形成之初，叶绿素f可能先出现。慢慢随着大气的散开，光照条件转好，生物体为更好地吸收光能，叶绿素a才可能出现