1、二 光合作用的原理和应用 第1课时 光合作用的原理 一、光合作用概念和反应式 1.概念:绿色植物通过_,利用光能,将二氧化碳 和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出_的 过程。2.反应式:_。叶绿体 氧气 CO2+H2O (CH2O)+O2 二、光合作用探究历程 1.19世纪末,科学界普遍观点:C与H2O结合成_。2.1928年:甲醛不能通过光合作用转化成_。3.1937年,英国希尔:离体叶绿体在适当条件下可产生 _。甲醛 氧气 糖 4.1941年,鲁宾和卡门:研究了光合作用中_的来源(氧气来源于H2O)。5.1954年,美国阿尔农:光照下,叶绿体可合成_;1957年:这一过程总是与水的光解
2、相伴随。氧气 ATP 三、光合作用的过程 1.写出图中序号代表的物质或过程:_ _ _ _ _ _ _ NADPH ATP CO2(CH2O)光反应 暗反 应 2.光反应阶段:(1)场所:叶绿体的_。(2)条件:_、_和有关的_。(3)物质变化:水的光解:H2O _+_ ATP的合成:ADP+Pi+能量 _。(4)能量变化:将_转变为活跃的_。类囊体薄膜 光 色素 酶 12O2 2NADPH ATP 光能 化学能 3.暗反应阶段:(1)场所:叶绿体内的_中。(2)条件:_的催化。(3)物质变化:CO2的固定:CO2+C5 2C3 C3的还原:C3 (CH2O)C3 C5 叶绿体基质 酶(4)能
3、量变化:_中活跃的化学能转变为有机物中_ _。ATP 稳 定的化学能【激疑】(1)在无光条件下,暗反应能否长期进行?提示:在无光条件下,光反应不能进行,光反应的产物ATP和NADPH减少,不能满足暗反应的需求,暗反应将停止进行。(2)若暗反应停止,光反应能否持续进行?提示:暗反应停止,光反应产生的ATP和NADPH积累过多,抑制光反应的进行。知识点一 光合作用的探究历程 1.希尔实验:(1)实验过程:离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O,没有CO2),在光照下可以释放出氧气。(2)实验结论:在适当条件下叶绿体产生氧气。2.鲁宾和卡门实验:相互对照(条件相同的两组材料,分别
4、标记不同的物质:一组为 ,另一组为C18O2)。3.阿尔农实验:光照下叶绿体合成ATP,这一过程与水的光解相伴随。182H O【思考讨论】希尔实验说明水光解可以产生氧气,是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧全部来自水?为什么?(科学思维)提示:不能。叶绿体内还有其他含有氧元素的物质,不能确定氧元素全部来自水。【素养案例】美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.kamen)用18O分别标记H2O和CO2中的氧,进行光合作用实验。该实验证明了()A.光合作用制造了有机物 B.光合作用需要利用根系吸收的水分 C.光合作用生成的氧来自水 D.光合作用吸收的二氧化碳来自大气【解析】选C。美国科学家鲁
5、宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2中的氧,进行光合作用实验。实验过程中,发现如果用18O标记H2O,光合作用释放的氧气中含有18O;用18O标记CO2,光合作用释放的氧气中没有18O。科学家通过相互对照实验,证明了光合作用生成的O2中的氧来自H2O。【素养迁移】下面表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下,小球藻进行光合作用的实验示意图。一段时间后,以下相关实验比较不正确的是()A.Y2的质量大于Y3的质量 B.中小球藻的质量大于中小球藻的质量 C.中水的质量大于中水的质量 D.试管的质量大于试管的质量【解析】选C。Y1和Y3是O2,Y2和Y4是18O2,因此Y2的质量 大于
6、Y3的质量;中小球藻中含有()的有机物,而 中小球藻含有(CH2O)的有机物,故中小球藻的质量 大于中小球藻的质量;和中的水都为O,且含量相 同,因此质量相等;在试管和中原有质量相等的情 况下,中释放的是18O2,而中释放的是O2,故剩余质 量大于。182CH O知识点二 光合作用的过程 1.光反应与暗反应的比较:(1)区别:项 目 光反应 暗反应(碳反应)实 质 光能转化为化学能,并释放O2 同化CO2,合成有机物 需要条件 外界条件:光照;内部条件:色素、酶 不需要光照;内部条件:酶 项 目 光反应 暗反应(碳反应)反应场所 叶绿体类囊体 的薄膜上 叶绿体基质内 物质变化 水的光解:水分解
7、成NADPH和O2 ATP的合成:在相关酶的作用下,ADP和Pi形成ATP CO2的固定:CO2+C5 2C3 C3的还原:2C3 (CH2O)+C5 项 目 光反应 暗反应(碳反应)能量变化 光能活跃的化学能 活跃的化学能有机物中稳定的化学能 相应产物 O2、ATP和NADPH 糖类等有机物(2)联系:光反应为暗反应提供两种重要物质:NADPH和ATP,NADPH既可作还原剂,又可提供能量;暗反应为光反应提供三种物质:ADP、Pi以及NADP+。暗反应有光无光都能进行。若光反应停止,暗反应可持续进行一段时间,但时间不长,故晚上一般认为只进行呼吸作用,不进行光合作用。2.光合作用过程中的物质变
8、化:(1)光合作用过程中C、O元素转移途径:(2)光合作用总反应式与C、H、O元素的去向:3.光照和CO2浓度变化对细胞中C3、C5含量的影响:(1)理论依据:细胞中C3的含量取决于C3的生成速率和C3的消耗速率。C3的生成通过CO2的固定实现,C3的消耗通过C3的还原实现,如图所示:由C5+CO22C3可知,细胞中C3、C5的含量变化相反。(2)实例分析:外界条件变化分 析结 果光照强弱光反应减弱,NADPH和ATP减少,C3还原减弱,C3消耗减少,C5产生减少C3含量增多,C5含量减少弱强光反应增强,NADPH和ATP增多,C3还原增强,C3消耗增多,C5产生增多C3含量减少,C5含量增多
9、外界条件变化分 析结 果CO2 浓度高低 CO2固定减弱,C3产生减少,C5消耗减少C3含量减少,C5含量增多低高 CO2固定增强,C3产生增多,C5消耗增多C3含量增多,C5含量减少【思考讨论】1.若给植物提供 ,一段时间后能否在植物体内的 有机物中发现18O?试说明原因。(生命观念)提示:参与有氧呼吸第二阶段,可形成C18O2,C18O2 参与光合作用,可形成含有18O的有机物。182HO182HO2.光合作用中的还原剂和细胞呼吸中的还原剂是否相同,完成下表:(科学思维)光合作用过程中还原剂 细胞呼吸过程中还原剂 本质 还原型辅酶(NADPH)还原型辅酶(NADH)来源 _阶段 无氧呼吸第
10、_阶段、有氧呼吸第_、_阶段 去向 _ 有氧呼吸第_阶段 光反应 一 二 三碳化合物的还原 三 一【素养案例】阳光穿过森林中的空隙形成“光斑”,如图表示一株生长旺盛的植物在“光斑”照射前后光合作用吸收CO2和释放O2量的变化,据此正确的分析是()A.光斑照射前,光合作用无法进行 B.光斑照射后,光反应和暗反应迅速同步增加 C.光斑照射后,暗反应对光反应有限制作用 D.光斑移开后,光反应和暗反应迅速同步减弱【解题导引】(1)图示信息:光斑照射前有氧气的释放和二氧化碳的吸收。光斑照射后氧气的释放速率和二氧化碳吸收速率增加不同步。光斑移开后,氧气的释放速率和二氧化碳吸收速率减弱不同步。(2)关键知识
11、:光合作用总反应式中,氧气的释放量和二氧化碳吸收量相等。【解析】选C。光斑照射前,有氧气释放,说明植物细胞 在进行光合作用,A项错误;光斑照射后,光反应迅速增 加,而暗反应没有相应增加,二者不同步,B项错误;光斑 照射后,一开始光反应远高于暗反应,然后光反应逐渐 减弱,与暗反应保持一致,因此可以看出,暗反应限制了 光反应的进行,C项正确;光斑移开后,光反应迅速减弱,而暗反应过一段时间后才减弱,二者不同步,D项错误。【素养探究】母题追问 科学思维分析与综合 光斑移开后,C3含量和C3的生成速率会如何变化?为什么?提示:C3含量增多,C3的生成速率减慢。光斑移开后,光反应减弱,NADPH和ATP合
12、成量减少,被还原的C3减少,导致C3含量增多,进而反馈抑制C3的生成过程,导致C3的生成速率减慢。【素养迁移】在其他条件适宜的情况下,在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照,并在黑暗中立即开始连续取样分析,在短时间内叶绿体中C3和C5含量的变化是()A.C3和C5都迅速减少 B.C3和C5都迅速增加 C.C3迅速增加,C5迅速减少 D.C3迅速减少,C5迅速增加【解析】选C。由题意知,在其他条件适宜的情况下,在 供试植物正常进行光合作用时突然停止光照后,光反应 停止,NADPH和ATP下降,C3的还原减弱直至停止,而CO2 的固定则继续进行,但由于缺少NADPH和ATP,C3不能被 还原而积
13、累,使C3迅速增加;C5是植物体细胞内具有一 定数量且能循环利用的物质,当C3不能被还原再形成C5 时,C5将迅速减少。所以,在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照,并在黑暗中立即开始连续取样分析,此时叶绿体中C3迅速增加,C5迅速减少。【补偿训练】在叶绿体中,ATP和ADP的运动方向是()A.ADP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ATP则向相反方向运动 B.ATP与ADP同时由类囊体薄膜向叶绿体基质运动 C.ATP与ADP同时由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动 D.ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ADP的运动方向则正好相反 【解析】选D。叶绿体是进行光合作用的场所,光反应在叶绿体类囊体薄膜上进行,此过程中消耗来自叶绿体基质的ADP,产生ATP,供暗反应阶段C3的还原,所以叶绿体中ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ADP则由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动。【课堂回眸】