第5章 細胞的能量供應和利用 第4節(jié) 光合作用與能量轉(zhuǎn)化 第2課時 光合作用的原理-2024-2025學年高一生物必修一（人教版）教學課件

第2課時光合作用的原理1.通過探究光合作用原理的部分實驗,理解光合作用的實質(zhì)。2.通過建構(gòu)光合作用光反應和暗反應的過程模型,掌握光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化?！笇W習目標」預習案·自主學習一、光合作用概述1.概念綠色植物通過

,利用光能,將

轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機物,并且釋放出

的過程。2.反應式CO2+H2O

。葉綠體二氧化碳和水氧氣(CH2O)+O2時間/發(fā)現(xiàn)者內(nèi)容19世紀末科學界普遍認為,在光合作用中,CO2分子的C和O被分開,

被釋放,C與H2O結(jié)合成甲醛,然后甲醛分子縮合成糖1928年科學家發(fā)現(xiàn)甲醛對植物有

作用,而且甲醛不能通過光合作用轉(zhuǎn)化成糖1937年,希爾(英國)在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑(懸浮液中有H2O,沒有CO2),在光照下

二、探索光合作用原理的部分實驗O2毒害可以釋放出氧氣1941年,魯賓、卡門(美國)用同位素示蹤的方法,研究了光合作用中氧氣的來源,+CO2→植物→18O2,H2O+C18O2→植物→O2,得出光合作用釋放的氧全部來自

1954年、1957年阿爾農(nóng)(美國)在光照下,葉綠體可合成

,這一過程總是與

相伴隨H2OATP水的光解三、光合作用的原理1.光反應階段(1)場所:葉綠體的

上。(2)條件:

等。(3)物質(zhì)變化:水分解為

;H+與NADP+結(jié)合,形成NADPH;ADP與Pi反應形成ATP。(4)能量變化:光能轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ嬖?/p>

和NADPH中的化學能。2.暗反應階段(1)場所:

中。(2)條件:

。類囊體薄膜光、色素、酶氧和H+ATP葉綠體基質(zhì)酶(3)物質(zhì)變化。①CO2的固定:C5+CO2

。②C3的還原:2C3(CH2O)+C5。(4)能量變化:ATP和NADPH中活躍的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

。2C3(CH2O)中的化學能3.光反應與暗反應之間的聯(lián)系NADPH和ATP四、化能合成作用1.概念利用體外環(huán)境中的某些

時所釋放的能量來制造有機物。2.實例硝化細菌能利用氧化

時釋放的化學能將

合成糖類,供自身利用。無機物氧化NH3CO2和H2O[正誤判斷](1)H2O在光下分解的過程發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中。(

)提示:H2O在光下分解的過程發(fā)生在葉綠體的類囊體薄膜上。(2)只提供光照,不提供CO2,植物可獨立進行光反應。(

)提示:在暗反應不能進行時,因光反應產(chǎn)生的NADPH和ATP的積累,光反應所需要的ADP、Pi、NADP+不足,光反應也會停止。(3)卡爾文的實驗說明光合作用需要原料CO2。(

)(4)希爾反應說明水的光解和糖的合成是同一個化學反應。(

)提示:希爾反應說明水的光解和糖的合成不是同一個化學反應。××√×探究案·互動探究探究一探索光合作用原理的部分實驗「問題情境」下列是關于光合作用的部分探究過程,請結(jié)合以下資料回答下列問題。資料1

1937年,英國植物學家希爾用離體的葉綠體做實驗。他將離體的葉綠體加到具有氫受體的水溶液中,在有水、無CO2的條件下給予光照,發(fā)現(xiàn)葉綠體中有O2放出。資料2

如圖是利用小球藻進行光合作用實驗的示意圖(魯賓、卡門實驗)。資料3為探究ATP形成的原動力,科學家在黑暗中進行了如下實驗。圖中平衡的目的是讓類囊體內(nèi)部的pH和外界溶液相同。資料4

20世紀40年,美國的卡爾文等用小球藻進行實驗,將其裝在一個透明的密閉容器中,他向密閉容器中通入14CO2,當反應進行到5s時,14C出現(xiàn)在一種五碳化合物(C5)和一種六碳糖中,將反應時間縮短到0.5s時,14C出現(xiàn)在一種三碳化合物(C3)中。經(jīng)9年左右的時間,他終于弄清了光合作用中暗反應的循環(huán)途徑。(1)資料1中希爾的實驗說明水的光解產(chǎn)生氧氣,能否說明植物光合作用產(chǎn)生的氧氣中的氧元素全部來自水?能否說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應?提示:希爾的實驗不能說明植物光合作用產(chǎn)生的氧氣中的氧元素全部來自水,因為該實驗沒有排除葉綠體中其他物質(zhì)的干擾,也沒有直接觀察到氧元素的轉(zhuǎn)移。希爾反應能說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應,因為懸浮液中沒有合成糖但水的光解能正常進行。(2)分析資料2得出的實驗結(jié)論是什么?提示:光合作用釋放的氧氣中的氧元素全部來自水。(3)根據(jù)資料3分析,葉綠體中形成ATP的原動力來自什么?提示:H+的濃度差。(4)資料4中卡爾文的實驗,14C標記的CO2進入葉綠體后,最先出現(xiàn)放射性的物質(zhì)是

,卡爾文循環(huán)的過程需要光反應為其提供

。上述實驗中卡爾文是通過控制

來探究CO2中碳原子轉(zhuǎn)移路徑的。三碳化合物(C3)ATP和NADPH反應時間1.藍色染料2,6-二氯酚靛酚簡稱DCPIP,與還原劑混合后變成無色?？蒲腥藛T從青菜葉肉細胞的葉綠體中分離出類囊體,與2,6-二氯酚靛酚溶液混合,條件適宜時,發(fā)現(xiàn)藍色溶液變成無色,并有氣體放出。下列與此實驗相關的說法,正確的是(

)A.此實驗說明光合作用是在葉綠體中進行的,且光合作用過程可以不合成有機物B.此實驗說明光合作用的光反應和暗反應分別在葉綠體類囊體和基質(zhì)中進行C.此實驗說明光反應可能在葉綠體內(nèi)完成,但無法判斷放出的氣體是氧氣D.要使該實驗成功,需要合適的光照條件從而產(chǎn)生NADH「即時應用」√解析:2,6-二氯酚靛酚是一種藍色染料能被還原劑還原成無色,而實驗處理后發(fā)現(xiàn)“藍色溶液變成無色,并有氣體放出”,無法證明光合作用過程在葉綠體中進行,也無法證明是否合成有機物;根據(jù)題干中“從青菜葉肉細胞的葉綠體中分離出類囊體”,可知葉綠體的類囊體能產(chǎn)生還原劑,不能說明光合作用光反應和暗反應的場所;根據(jù)題干中“從青菜葉肉細胞的葉綠體中分離出類囊體”,可知光反應在葉綠體的類囊體中進行,但未對產(chǎn)生氣體進行檢測,無法得出放出的氣體是氧氣;水的光解產(chǎn)生NADPH而不會產(chǎn)生NADH。2.許多科學家在光合作用過程的探究中作出了重要貢獻,下列有關敘述正確的是(

)A.恩格爾曼利用水綿和需氧細菌,直接證明了葉綠體能吸收光能用于光合作用放出O2B.希爾發(fā)現(xiàn)離體葉綠體懸浮液中加入氧化劑在光照下可釋放出O2,探明了光合作用中氧氣的來源C.魯賓和卡門用16O和18O分別標記H2O和CO2,證明了光合作用產(chǎn)生的O2全部來自水D.卡爾文用放射性同位素示蹤法,探明了CO2中碳的轉(zhuǎn)移途徑為CO2→C3、C5→糖類√解析:恩格爾曼的實驗通過觀察需氧細菌在水綿表面的分布,直接證明了葉綠體能吸收光能用于光合作用放出O2;希爾反應是將離體葉綠體置于懸浮液中完成的,懸浮液中有水,沒有合成糖類的另一種必需原料CO2,因此實驗不能說明光合作用過程中氧氣的來源;魯賓和卡門利用同位素示蹤的方法,用18O分別標記兩組實驗中的H2O和CO2,證明光合作用產(chǎn)生的O2中的O全部來自H2O;根據(jù)光合作用暗反應過程中的物質(zhì)變化可知,卡爾文用14CO2研究發(fā)現(xiàn)了光合作用中碳原子的轉(zhuǎn)移途徑為CO2→C3→糖類。探究二光合作用的過程「問題情境」如圖為某種植物光合作用過程簡圖,其中A～H表示物質(zhì)成分,①～③表示過程。請回答下列問題。(1)依據(jù)光合作用的過程推測圖中A、B、D、G的名稱。提示:A為O2,B為H+,D為ATP,G為C3。(2)圖中①②③的名稱分別是什么?提示:①是水的光解,②是CO2的固定,③是C3的還原。(3)暗反應有光無光都能進行,那么暗反應能較長時間在黑暗條件下進行嗎?提示:不能。因為在黑暗條件下不能進行光反應,暗反應缺少光反應提供的NADPH和ATP。(4)若突然停止光照,物質(zhì)D、H在短時間內(nèi)如何變化?提示:突然停止光照,光反應停止,D(ATP)減少,H(C5)減少。(5)用同位素18O標記H2O中的O,短時間內(nèi)能在光合作用的哪些物質(zhì)中檢測到18O?用14C標記CO2中的C,能在光合作用的哪些物質(zhì)中檢測到放射性?總結(jié)光合作用中各元素的去向。提示:氧氣。14C3、(14CH2O)等。歸納總結(jié)分析環(huán)境條件改變時光合作用中相關物質(zhì)的含量變化(1)分析方法:需從物質(zhì)的生成和消耗兩個方面綜合分析。示例:CO2供應正常,光照停止時C3的含量變化。(2)物質(zhì)含量變化。條件C3C5NADPH和ATP模型分析光照由強到弱,CO2供應不變增加減少減少光照由弱到強,CO2供應不變減少增加增加以上分析只表示條件改變后短時間內(nèi)各物質(zhì)相對含量的變化。以上各物質(zhì)變化中,C3和C5含量的變化是相反的,NADPH和ATP含量的變化是一致的。光照不變,CO2由充足到不足減少增加增加光照不變,CO2由不足到充足增加減少減少3.將植物栽培在適宜的光照、溫度和CO2充足的條件下。如果將環(huán)境中CO2含量突然降至極低水平,此時葉肉細胞內(nèi)的C3化合物、C5化合物和ATP含量的變化情況是(

)A.上升、下降、上升

B.下降、上升、上升C.下降、上升、下降

D.上升、下降、下降「即時應用」√解析:CO2含量的改變直接影響的是暗反應中CO2的固定。CO2含量由高到低時,CO2的固定減弱,則反應物C5化合物消耗減少,而產(chǎn)物C3減少,使得C3化合物的還原反應減弱,則消耗的NADPH和ATP減少,所以NADPH和ATP剩余的量增多,所以葉肉細胞內(nèi)的C3化合物、C5化合物和ATP含量的變化情況分別是下降、上升、上升。長句應答晴朗的夏天,若中午時分,突然陰云密布,則正常生長的玉米葉肉細胞中,C3的含量會升高,原因是

。光照強度減弱,光反應合成的NADPH和ATP減少,導致C3還原減少,同時CO2與C5合成C3基本不受影響,故C3含量會升高4.如圖是小麥葉肉細胞中光合作用過程示意圖,其中①～④表示物質(zhì)。回答下列問題。(1)反應Ⅰ是光合作用的

階段,物質(zhì)①是

。反應Ⅱ發(fā)生的場所是

。反應Ⅰ的產(chǎn)物①～③中,能為反應Ⅱ提供能量且作為還原劑的物質(zhì)是

(填序號)。

解析:(1)反應Ⅰ是光反應階段,光反應階段可以發(fā)生水的光解和ATP的合成,故光反應產(chǎn)物有①氧氣、②NADPH、③ATP。反應Ⅰ的產(chǎn)物①～③中,能為反應Ⅱ提供能量且作為還原劑的物質(zhì)是②NADPH。反應Ⅱ為光合作用的暗反應階段,場所是葉綠體基質(zhì)。光反應O2葉綠體基質(zhì)②(2)反應Ⅱ中,④與C5結(jié)合生成C3的過程稱為

,如果突然停止④的供應,短時間內(nèi)葉綠體中C3的含量將會

(填“增多”或“減少”)。

解析:(2)反應Ⅱ中,④為CO2,④與C5結(jié)合生成C3的過程稱為CO2的固定,如果突然停止④CO2的供應,短時間內(nèi)葉綠體中CO2的固定速率減慢,C3合成速率降低,但C3的還原速率暫時不變,即C3的消耗速率不變,故C3的含量減少。CO2的固定減少課堂小結(jié)思維導圖金句必備1.光反應的場所是類囊體薄膜,產(chǎn)物是O2、NADPH和ATP。2.暗反應的場所是葉綠體基質(zhì),產(chǎn)物是糖類等物質(zhì)。3.光合作用中的物質(zhì)轉(zhuǎn)變隨堂檢測1.希爾從細胞中分離出葉綠體,并發(fā)現(xiàn)在沒有CO2時,給予葉綠體光照,就能放出O2,同時使電子受體還原。希爾反應是H2O+氧化態(tài)電子受體→還原態(tài)電子受體+1/2O2。在希爾反應的基礎上,阿爾農(nóng)又發(fā)現(xiàn)在光下的葉綠體,不供給CO2時,既積累NADPH也積累ATP;進一步實驗,撤去光照,供給CO2,發(fā)現(xiàn)NADPH和ATP被消耗,并產(chǎn)生有機物。下列關于希爾反應和阿爾農(nóng)發(fā)現(xiàn)的敘述,不正確的是(

)A.光合作用釋放的O2來自水而不是CO2B.NADPH和ATP的形成發(fā)生在葉綠體的類囊體薄膜上C.希爾反應與CO2合成有機物的過程是兩個過程D.光合作用的需光過程為CO2合成有機物提供ATP和NADPH√12341234解析:由題中的信息(希爾反應式)可知,光合作用過程中產(chǎn)生的氧氣來自參加反應的水;從希爾反應和阿爾農(nóng)發(fā)現(xiàn)的敘述,得不到NADPH和ATP的形成發(fā)生在葉綠體的類囊體薄膜上;希爾反應和有機物的合成過程可以分別進行,在光下積累NADPH和ATP,在暗處可以進行有機物的合成;希爾反應只有在光下才能進行,在暗處是不能進行的,在光下積累NADPH和ATP,在暗處可以進行有機物的合成,NADPH和ATP在合成有機物過程中被消耗。2.進行光合作用的植物,突然改變某條件后,發(fā)現(xiàn)葉肉細胞內(nèi)C5的含量突然上升。改變的條件是(

)A.停止光照B.停止光照并升高CO2濃度C.升高環(huán)境中CO2的濃度D.降低環(huán)境中CO2的濃度√2341解析:停止光照,光反應停止,導致ATP和NADPH減少,因此C3轉(zhuǎn)變成C5的速率變慢,C5合成速率減少,但暗反應中CO2的固定基本不變,即C5的消耗速率不變,因此C5的含量下降;停止光照并升高CO2濃度,C5的含量降低;升高CO2濃度,CO2的固定反應加強,C5的消耗速率增大,而光反應不受影響,即C3轉(zhuǎn)變成C5的速率不變,C5的合成速率不變,所以C5含量下降;降低CO2濃度時,C5消耗的速率下降,同時,C5的合成速率基本不變,因此C5的含量會上升。23413.硫細菌生活在富含硫化氫和硫酸鹽的深海熱泉中,通過氧化硫化物和還原二氧化碳來制造有機物。硫細菌(

)A.遺傳物質(zhì)是DNA或RNAB.可以利用化學能合成有機物C.可以利用熱能合成有機物D.有氧呼吸的主要場所是線粒體√34123412解析:硫細菌具有細胞結(jié)構(gòu),遺傳物質(zhì)是DNA;由題干信息可知,硫細菌可以利用化學能合成有機物,屬于自養(yǎng)生物;硫細菌屬于原核生物,無線粒體。4.如圖為光合作用過程示意圖,圖中①②③代表生理過程,甲、乙、丙代表光合作用過程中有關物質(zhì)?；卮鹣铝袉栴}。1234解析:(1)過程③是光合作用的暗反應過程,發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中。①是水的光解,甲是氧氣,②是光反應中NADPH的合成過程,乙是ATP,丙是NADPH。1234(1)過程③在葉綠體

中完成。甲是

、乙是

、丙是

。

基質(zhì)O2ATPNADPH1234(2)在實驗條件下,水的分解需要極強的電流或近2000℃的條件,人類對光合作用原理的探索經(jīng)歷了長期過程,①過程所需要的能量來自

吸收的光能,希爾反應中加入的Fe3+作為

,被水光解產(chǎn)生的電子還原為Fe2+。阿爾農(nóng)實驗表明離體葉綠體可以合成ATP,光反應產(chǎn)生ATP用于暗反應中的

過程。

葉綠體中色素氧化劑C3還原解析:(2)①是水的光解,發(fā)生在類囊體的薄膜上,其上有色素,色素可以吸收轉(zhuǎn)化光能;希爾反應中加入的Fe3+被水光解產(chǎn)生的電子還原為Fe2+,所以希爾反應中加入的Fe3+作為氧化劑;暗反應中CO2的固定不消耗能量,C3的還原需要能量和還原劑,阿爾農(nóng)實驗表明離體葉綠體可以合成ATP,光反應產(chǎn)生ATP用于暗反應中的