高中生物 · 光合作用专题 · 共60分
如图所示，某植物在适宜光照和CO₂浓度下进行光合作用。科学家用放射性同位素 14C 标记CO₂，追踪碳元素的转变路径。
回答以下问题：
光反应发生在叶绿体的哪个结构上？该阶段产生的 [H]（NADPH）和 ATP 的用途是什么？
卡尔文循环中，CO₂首先与五碳化合物（C₅/RuBP）结合，生成两个三碳化合物（C₃）。
① C₃的还原需要哪两种物质？它们分别来自哪里？
② 若突然停止光照，C₃和 C₅的含量将分别如何变化？请解释原因。
下表为不同 CO₂浓度下，光合速率与呼吸速率的数据：
| CO₂浓度 | 光合速率（μmol O₂/h） | 呼吸速率（μmol O₂/h） |
|---|---|---|
| 低 | 8 | 3 |
| 高 | 20 | 3 |
① 低 CO₂浓度下，植物真正光合速率是多少？
② CO₂浓度升高后，光合速率提升的根本原因是什么（从碳反应角度分析）？
若向叶绿体中加入 DCMU（一种阻断光反应中电子传递的试剂），碳反应会受到怎样的影响？请从物质角度分析。
光合作用和细胞呼吸中都有 [H] 的产生和利用，请比较二者 [H] 的产生场所和利用方式的区别。
光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上。
产生的 [H]（NADPH）和 ATP 用于碳反应（暗反应）中 C₃ 的还原，为其提供氢和能量。
C₃的还原需要 ATP 和 [H]（NADPH），二者均来自光反应阶段（在类囊体薄膜上产生）。
C₃含量升高：停止光照后，光反应停止，不再产生 ATP 和 [H]，C₃无法被还原，但 CO₂固定短时间内仍在进行，持续消耗 C₅ 生成 C₃，导致 C₃积累增多。
C₅含量降低：光反应停止，C₃无法还原为 C₅，C₅的再生受阻；但 CO₂固定仍短暂消耗 C₅，因此 C₅含量下降。
真正光合速率 = 表观光合速率 + 呼吸速率 = 8 + 3 = 11 μmol O₂/h
CO₂浓度升高后，碳反应中 CO₂固定速率加快，C₃生成量增多，进而 C₃还原加速，有机物合成增多，光合速率整体提升。根本原因是碳反应底物（CO₂）供应增加，CO₂固定速率加快。
DCMU 阻断光反应电子传递 → 光反应无法正常进行 → ATP 和 [H]（NADPH）不再生成 → 碳反应中 C₃无法被还原 → 碳反应（卡尔文循环）停止，有机物无法合成。
光合作用 [H]：产生场所为类囊体薄膜（水的光解产生）；用于碳反应中还原 C₃（生成 G3P）。
细胞呼吸 [H]（NADH）：产生场所为细胞质基质（糖酵解）和线粒体基质（丙酮酸氧化分解）；最终在线粒体内膜上与 O₂结合，经氧化磷酸化生成水并释放能量（合成 ATP）。
科研人员研究了温度对某 C₃植物光合作用的影响，得到如下结论：最适光合温度为 25°C，最适呼吸温度为 35°C。
光反应中，水的光解产生了 O₂和 [H]，写出水光解的反应方程式，并指出 O₂释放的场所。
在 25°C 和强光下，若将 CO₂浓度从 0.03% 提高到 0.1%：
C₃含量如何变化？ATP 消耗速率如何变化？C₅含量短时间内如何变化？
35°C 时，与 25°C 相比，暗反应速率下降，试分析原因（从酶和物质供应两方面分析）。
在密封玻璃罩内放置该植物，分别在有光和无光条件下测定罩内 CO₂浓度变化：
① 有光时，CO₂浓度先快速下降后趋于稳定，解释"趋于稳定"的原因。
② 无光时，CO₂浓度持续上升，上升速率代表什么生理过程的强度？
水光解方程式：2H₂O → 4[H] + O₂（需光能和光合色素）
O₂释放的场所：类囊体薄膜（水光解发生于此，O₂直接释放到叶绿体基质，再扩散出细胞）。
C₃含量：先升高后恢复稳定。CO₂浓度增大，CO₂固定加快，C₃生成增多；之后随 C₃还原加速，趋于新的平衡。
ATP 消耗速率：加快。C₃增多，还原 C₃需要消耗更多 ATP，因此 ATP 消耗速率升高。
C₅含量：短时间内减少。CO₂固定消耗 C₅增多，C₅再生速率暂时跟不上消耗速率，故 C₅短暂减少；之后随碳反应整体加速，C₅恢复。
酶方面：35°C 超过暗反应相关酶（如 RuBisCO）的最适温度，酶活性下降，催化效率降低，碳反应速率下降。
物质供应方面：35°C 时细胞呼吸旺盛，有机物分解加快，同时光合产物（糖类）消耗增大；此外，高温可能导致光合色素分解，光反应减弱，提供给暗反应的 ATP 和 [H] 减少，C₃还原受限。
密封玻璃罩中 CO₂是有限的。随光合作用持续进行，罩内 CO₂浓度不断降低，导致 CO₂固定速率下降，光合速率随之减弱，直至光合速率 = 呼吸速率时，CO₂净吸收量为零，浓度趋于稳定（此时对应该 CO₂浓度下的光补偿点状态）。
无光时植物只进行细胞呼吸，CO₂浓度持续上升，上升速率代表细胞呼吸（氧化分解有机物）的强度，即呼吸速率。
| 实验组 | 处理 | 结果 |
|---|---|---|
| A | 类囊体薄膜 + 光照 + ADP + Pᵢ + NADP⁺ | 产生 ATP、NADPH 和 O₂ |
| B | 叶绿体基质 + CO₂ + ATP + NADPH（黑暗） | 产生有机物 |
| C | 叶绿体基质 + CO₂（黑暗，无 ATP 和 NADPH） | 无有机物产生 |
A 组实验说明了什么？光反应的本质是什么？
B 组实验在黑暗条件下仍能进行，说明了什么？卡尔文循环是否需要光？请区分"不需要光"和"不需要光反应产物"的含义。
若 A、B 两组合并（完整叶绿体 + 光照 + CO₂），预测结果并写出总反应方程式。
C 组与 B 组对照，说明 ATP 和 NADPH 在碳反应中的具体作用是什么？联系 C₃还原过程说明。
A 组说明：光反应发生在类囊体薄膜上，在光照条件下，水分子分解（光解），释放 O₂，同时利用光能将 ADP + Pᵢ合成 ATP，将 NADP⁺还原为 NADPH。
光反应的本质：光能转变为活跃化学能（储存在 ATP 和 NADPH 中）的过程，同时伴随水的光解。
B 组说明：碳反应（卡尔文循环）本身不需要光，只要有充足的 ATP 和 NADPH 即可在黑暗中进行，场所为叶绿体基质。
区分说明：
• "不需要光"——碳反应的酶促反应不直接利用光能，没有光直接参与的步骤。
• "不需要光反应产物"——是错误的，碳反应必须依赖光反应提供的 ATP 和 NADPH，只是在 B 组中人为外源添加了这两种物质，才能在黑暗中运转。在正常植物中，二者密不可分。
预测结果：完整叶绿体在光照和 CO₂存在下，光反应为碳反应持续提供 ATP 和 NADPH，碳反应固定 CO₂合成有机物，两者协同运转，最终产生有机物（葡萄糖）和 O₂。
光合作用总反应方程式：
6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂（需光能，叶绿体中进行）
注：方程式左边 12H₂O 为水的光解，右边 6H₂O 为碳反应中产生的水。
B 组（有 ATP 和 NADPH）→ 产生有机物；C 组（无 ATP 和 NADPH）→ 无有机物，说明ATP 和 NADPH 是碳反应中 C₃还原的必需物质。
具体作用：
• ATP 提供能量：C₃（3-磷酸甘油酸）被磷酸化需消耗 ATP，使 C₃活化。
• NADPH 提供氢（还原力）：将活化的 C₃（1,3-二磷酸甘油酸）还原为 G3P（甘油醛-3-磷酸），G3P 进一步转化为葡萄糖等有机物。
总结：ATP 供能，NADPH 供氢，共同将 C₃还原为有机物，二者缺一不可。