1、第第9 9讲讲 光合作用与能量转化光合作用与能量转化 第第3 3单元单元 2022 第1课时 光合作用的原理 内 容 索 引 01 02 03 素养导读素养导读 必备知识必备知识 固本夯基固本夯基 核心考点核心考点 能力提升能力提升 素养导读素养导读 必备知识必备知识 固本夯基固本夯基 一、捕获光能的色素和结构 1.实验:绿叶中色素的提取和分离 (1)实验原理 有机溶剂无水乙醇 溶解度 (2)实验步骤 二氧化硅 碳酸钙 扩散均匀 (3)实验结果 胡萝卜素 黄色 叶绿素a 叶绿素b 黄绿色 2.叶绿体中的色素及色素的吸收光谱 叶绿素b 叶绿素a 胡萝卜素 叶黄素 (1)色素吸收光的范围:一般情况
2、下,叶绿体中的色素只吸收 , 而对红外光和紫外光等不吸收。 (2)色素的功能:叶绿素主要吸收 ,类胡萝卜素主要吸 收 。 可见光 蓝紫光和红光 蓝紫光 3.叶绿体的结构与功能 (1)结 构 外表: 内部 基质:含有与 有关的酶 :由类囊体堆叠而成,分布有 和与 有关的酶 双层膜 暗反应 基粒 光合色素 光反应 (2)功能:进行 的场所。 (3)恩格尔曼的实验:需氧细菌只分布于 被光束照射的部位, 直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。 光合作用 叶绿体 二、光合作用的原理 1.探索光合作用原理的经典实验 (1)19世纪末,科学界普遍认为,在光合作用中,糖是由甲醛分子缩合成的。 1928年
3、,科学家发现甲醛不能通过光合作用转化成 。 (2)1937年,英国希尔发现离体叶绿体在适当条件下可释放 。 (3)1941年,美国鲁宾和卡门研究了光合作用中的氧气来源于 。 (4)1954年,美国阿尔农发现,在光照下,叶绿体可合成 。1957年,他发 现这一过程总是与 相伴随。 糖 氧气 水 ATP 水的光解 2.光合作用的过程 (1)根据上图分析光反应与暗反应的区别。 过程 . . 场所 条件 、光合色素和酶 多种酶 原料 H2O、NADP+、ADP、Pi NADPH、ATP、CO2 产物 NADPH、ATP、 、ADP、Pi、 NADP+ 光反应 暗反应 叶绿体类囊体薄膜 叶绿体基质 光能
4、 O2 (CH2O) 物质 变化 水的光解: H2ONADPH+O2 ATP 的合成: ADP+Pi CO2的固定: +C5 C3的还原: +C5 能量 变化 光能ATP 和 NADPH 中 ATP 和 NADPH中 有机物中稳定的化学能 ATP CO2 2C3 2C3 (CH2O) 活跃的化学能 活跃的化学能 (2)根据下图分析光反应与暗反应的联系。 光反应为暗反应提供 。 暗反应为光反应提供 。 ATP和NADPH ADP、Pi、NADP+ 名师点睛NADPH既可以起到还原剂的作用,也可以提供能量。 (3)写出光合作用总反应式,并用箭头标注反应物中H、O的去向。 提示 概念检测 1.基于对
5、捕获光能的色素和叶绿体的结构的理解,判断下列表述是否正确。 (1)植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光。( ) (2)液泡中色素吸收的光能用于光合作用。( ) (3)叶片黄化,叶绿体对红光的吸收增多。( ) (4)光合作用需要的光合色素和酶分布在叶绿体基粒和基质中。( ) (5)没有叶绿体,细胞不能进行光合作用。( ) (6)叶绿体色素滤液细线浸入层析液,可导致滤纸条上色素带重叠。( ) 提示 (1) (2) (3) (4) (5) (6) 2.基于对光合作用的原理的理解,判断下列表述是否正确。 (1)光照强度由强变弱时,短时间内C5含量会升高。( ) (2)光合作用光反应阶段产生的NAD
6、PH可在暗反应中作为还原剂。( ) (3)光合作用的暗反应阶段需要消耗能量。( ) (4)夏季晴天光照最强时,小麦光合速率最高。( ) (5)进入叶绿体的CO2不能被NADPH直接还原。( ) (6)光合作用推动碳循环过程,促进了生物群落中的能量循环。( ) 提示 (1) (2) (3) (4) (5) (6) 教材拓展 1.(人教版必修1 P99旁栏问题)温室或大棚种植蔬菜时,最好选择 的 玻璃、塑料薄膜,理由是 。 2.(人教版必修1 P104左下角“相关信息”)光合作用制造的有机物,除一部分 用来建造植物体和呼吸消耗外,大部分被输送到植物体的储藏器官储存起 来。光合作用的终产物通常是 。
7、 提示 无色透明 有色玻璃或塑料薄膜主要透过同色光,其他色光很少或 不能透过,光照强度减弱,不利于光合作用;而无色透明的玻璃或塑料薄膜 能透过日光中各色光,光照强度较大,有利于光合作用的进行 淀粉和蔗糖 3.(人教版必修1 P100“思考 讨论”)恩格尔曼实验在实验材料的选取上有什 么巧妙之处?该实验中临时装片的环境条件和实验条件是什么?其目的是 什么? 提示 选择水绵和需氧细菌,水绵的叶绿体呈螺旋式带状分布,便于观察; 用需氧细菌可以确定释放氧气多的部位。该实验在没有空气的黑暗环境 中进行,选用极细的光束照射,并且用需氧细菌进行检测,目的是排除氧气 和除极细光束外的其他光的干扰。 4.(人教
8、版必修1 P101“拓展应用”)如何从水层透光与植物光能捕获的层面, 解释海洋中红藻、褐藻、绿藻在海水中的垂直分布特点? 提示 藻类本身的颜色是反射出来的光,即红藻反射出红光,绿藻反射出绿 光,褐藻反射出黄色的光。水层对光波中的红、橙光的吸收显著多于蓝、 绿光的吸收,即到达深水层的光线是相对富含短波长的光,所以吸收红光和 蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层,吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布 于海水深的地方。 核心考点核心考点 能力提升能力提升 考点一考点一 捕获光能的色素和结构捕获光能的色素和结构 合作探究合作探究 探究1绿叶中色素的提取和分离实验操作要点 项目 注意事项 操作目的 提取 色素 选
9、新鲜的绿叶 使滤液中色素含量高 研磨时加无水乙醇 加少许SiO2和CaCO3 迅速、充分研磨 防止 ,充分溶解色素 盛放滤液的试管管口 加棉塞 防止 溶解色素 研磨充分、保护色素 乙醇过度挥发 乙醇挥发和色素氧化 项目 注意事项 操作目的 分离 色素 滤纸预先干燥处理 使层析液在滤纸上 滤液细线要直、细、 齐 使分离出的色素带 滤液细线干燥后再画 一到两次 使分离出的色素带 滤液细线不触及层析 液 防止 快速扩散 平整不重叠 清晰分明 色素直接溶解到层析液中 探究2绿叶中色素的提取和分离实验异常现象 异常现象 原因分析 收集到的 滤液绿色 过浅 未加 ,研磨不充分; 使用放置数天的菠菜叶,滤液
10、中色素(叶绿素)含量 ; 一次加入大量的无水乙醇,提取的色素浓度太 (正确做 法: 加入 无水乙醇); 未加 或加入过少,色素被破坏 滤纸条色 素带重叠 滤液细线不直;滤液细线 滤纸条无 色素带 忘记画滤液细线; ,且时间 较长,色素全部溶解到层析液中 二氧化硅 太少 低 分次 少量 碳酸钙 过粗 滤液细线接触到层析液 探究3叶绿体中的色素及色素的吸收光谱 如图为叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱(暗带部分表示被吸收的光线),思考 回答下列问题。 (1)从叶绿素吸收光谱图可知:叶绿素a在红光部分的吸收带较叶绿素b偏向 波方面,且吸收光谱带比叶绿素b宽,叶绿素b在蓝紫光部分的吸收光谱 带比叶绿素a (
11、填“宽”或“窄”)。 (2)研究表明:在漫射光环境中(比如荫蔽条件下是漫射光环境),光线以较短 波长的光占优势。请预测:和上层叶片相比,同一植物底层叶片中,叶绿素 a/b ,弱光下的吸收能力 ,有利于提高植株的捕光能力,这 是对弱光环境的一种适应。 长 宽 降低 增强 考向突破考向突破 考向1 绿叶中色素的提取和分离实验 1.(2020江苏)采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验,下列 叙述错误的是( ) A.提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂 B.研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏 C.研磨时添加石英砂有助于色素提取 D.画滤液细线时应尽量减少样液扩散 答案 B 解析 色
12、素易溶于有机溶剂,故可用无水乙醇作为溶剂来提取,A项正确。 研磨时加入CaCO3而非CaO,B项错误。研磨时加入石英砂,有助于研磨充 分,有助于色素的提取,C项正确。为了得到整齐的色素带,滤液细线尽量细、 直、齐,D项正确。 2.(2020山东临沂模拟)利用无水乙醇提取出叶绿体中的色素,设法分离得 到各种色素,并将叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素和混合液依次点 样在滤纸的1、2、3、4、5位置(如图所示)。当滤纸下方浸入层析液后,滤 纸条上各色素正确的位置应为( ) 答案 B 解析 在层析液中4种色素的溶解度从高到低依次是胡萝卜素、叶黄素、 叶绿素a、叶绿素b,色素溶解度越高,随层析液在滤
13、纸上扩散的速度越快。 混合液中含4种色素,扩散后在滤纸条上形成4条色素带。 考向2 捕获光能的色素及色素的吸收光谱 3.无论是在植物工厂里,还是在自然界中,植物捕获光能都要依靠光合色素。 下列有关叙述错误的是( ) A.类胡萝卜素主要在蓝紫光区吸收光能用于光反应 B.叶片中光合色素对不同波长光的吸收会影响叶片的颜色 C.一般情况下,光合色素所利用的光都是可见光 D.纸层析法分离光合色素时,色素的含量变化不影响实验结果 答案 D 解析 光合色素包括类胡萝卜素和叶绿素,其中类胡萝卜素主要吸收蓝紫 光,用于光合作用光反应阶段,A项正确;叶片中光合色素对不同波长光的吸 收会影响叶片的颜色,B项正确;一
14、般情况下,光合色素所利用的光都是可见 光,主要吸收可见光中的蓝紫光和红光,C项正确;纸层析法分离光合色素时, 色素的含量变化会影响实验结果,D项错误。 4.植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如 O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是( ) A.类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成 B.叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制 C.光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示 D.叶片在640660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的 答案 A 解析 类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素,主要吸收蓝紫光,基本不吸收
15、红 光,A项错误。各种色素的吸收光谱可以通过测量其对不同波长光的吸收 值来绘制,B项正确。光合作用的作用光谱可用光合作用的强度随光波长 的变化来表示,通常用O2的释放速率或CO2的吸收速率来表示光合作用强 度,C项正确。波长为640660 nm的光为红光,叶绿素对其吸收量较大,在此 波长光下释放O2是由于叶绿素参与了光合作用,D项正确。 归纳总结 (1)影响叶绿素合成的三大因素 (2)叶绿体的结构与功能相适应的特点 叶绿体的基粒由类囊体堆叠而成,有巨大的膜面积。 叶绿体的类囊体薄膜上分布有吸收光能的色素。 叶绿体的类囊体薄膜和基质中有催化光合作用进行的酶。 考点二考点二 光合作用的原理光合作用
16、的原理 合作探究合作探究 探究1探索光合作用原理的经典实验 (1)在光照下,向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),可以释放出氧气。像这样,离体叶绿体在适当条件下发生 水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。 希尔的实验说明水的光解产生氧气,是否说明植物光合作用产生的氧气 中的氧元素全部都来自水? 提示 不能。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的 光解、产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰,也并没有直 接观察到氧元素的转移。 希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应? 提示 能。希尔反应是离体叶绿体在无CO2的条件下
17、完成的,因此,水的光 解并非必须与糖的合成相关联,暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。 (2)1941年,美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法,研究了光合作用 中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2,使它们分别变 成 O和C18O2。然后,进行了两组实验:第一组给植物提供H2O和C18O2, 第二组给同种植物提供 O和CO2。在其他条件都相同的情况下,第一 组释放的氧气都是O2,第二组释放的都是18O2。 分析鲁宾和卡门做的实验,你能得出什么结论? H218 H218 提示 光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水,而并不来源于CO2。 用于标记化合物的同位素都有放射
18、性吗? 提示 不,同位素分为放射性同位素和稳定性同位素,二者都可作为示踪剂。 高中生物里涉及同位素标记法的有哪些?(举出两例即可) 提示 利用稳定性同位素示踪技术研究光合作用中氧气的来源、DNA的 半保留复制等。利用放射性同位素示踪技术研究分泌蛋白的合成和运输、 光合作用中有机物的生成、噬菌体侵染细菌的实验、DNA分子杂交技术、 基因诊断等。 (3)美国科学家阿尔农也用离体的叶绿体做实验发现,在光照下,当向反应 体系中供给ADP、Pi时叶绿体可合成ATP,并且发现这一过程总是与水的 光解相伴随。 分析阿尔农做的实验,你能得出什么结论? 提示 ADP在光下与Pi结合生成ATP,即在光下同时进行两
19、个反应。 (4)1951年,卡尔文因发现光合作用合成己糖(葡萄糖)反应中CO2的固定途 径获得诺贝尔奖。将小球藻装在一个密闭容器中,通过通气管向密闭容器 中通入14CO2,通气管上有一个开关,可以控制14CO2的供应,密闭容器周围有 光源,通过控制电源开关可以控制光照的有无。向密闭容器中通入14CO2, 给予实验装置不同时间(0t1t2t3t4t5)的光照,分析14CO2去向,结果见表, 据表分析回答下列问题。 光照时间 0 t1 t2 t3 t4 t5 分离出的放 射性化合物 无 a a、b a、b、c a、b、c、d、 e a、b、c、d、 e、f 注:表中af依次代表:3-磷酸甘油酸(C
20、3H7O7P)、1,3-二磷酸甘油酸 (C3H8O10P2)、3-磷酸甘油醛(C3H7O7P)、己糖、C5化合物、淀粉 本实验的自变量是什么? 提示 不同时间的14C的去向。 写出14C的转移途径。 提示 14CO2abcd、ef。 只做光照时间为t5的实验,能不能确定出放射性化合物出现的先后顺序? 提示 不能确定出放射性化合物出现的先后顺序,只能确定出放射性化合 物。 探究2光合作用的过程 (1)下图为某位同学构建的光反应过程示意图。请结合希尔实验、鲁宾和 卡门实验、阿尔农实验的实验结论进行完善。 提示 (2)卡尔文采用放射性同位素标记的14CO2作为光合作用的原料,每隔一段 时间取样并使用
21、放射自显影技术追踪被14CO2标记的产物,结果发现:短时 间0.5 s的时候,14C标记物首先集中出现在PGA(一种三碳化合物)中,5 s的时 候,14C标记物则集中出现在葡萄糖和RuBP(一种五碳化合物)中。当卡尔 文突然降低CO2的供给时,发现RuBP会积累,如下图所示。 请结合卡尔文实验的实验结论,修改、完善下列暗反应过程示意图。 提示 考向突破考向突破 考向1 光合作用的过程 1.(2020天津)研究人员从菠菜中分离类囊体,将其与16种酶等物质一起用 单层脂质分子包裹成油包水液滴,从而构建半人工光合作用反应体系。该 反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原,并不断产生有机物 乙
22、醇酸。下列分析正确的是( ) A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质 B.该反应体系不断消耗的物质仅是CO2 C.类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原 D.与叶绿体相比,该反应体系不含光合作用色素 答案 A 解析 CO2的固定和还原发生在暗反应过程中,暗反应的场所是叶绿体基 质,A项正确。暗反应过程消耗的物质除了CO2,还有NADPH和ATP等,B项 错误。光反应的场所是类囊体薄膜,光反应产生的ATP可用于暗反应,光反 应产生的O2可以用于细胞有氧呼吸,多余的O2释放到空气中,C项错误。该 反应体系中含有类囊体,因此该反应体系含有光合作用色素,D项错误。 易错警示在光照条件下,植物既进行
23、光反应,也进行暗反应;如果植物长期 处于黑暗环境中,光反应和暗反应都会停止。在暗反应停止时,ATP和 NADPH积累,光反应也要停止。 2.(2020山东潍坊三模)磷酸丙糖不仅是光合作用中最先产生的糖,也是光 合作用产物从叶绿体运输到细胞质基质的主要形式。如图为某植物光合 作用产物的合成与运输示意图。下列相关说法正确的是( ) A.a表示的物质是ATP,它也可以在叶绿体基质中合成 B.磷酸丙糖应该是一种五碳化合物 C.磷酸丙糖是暗反应产物,在细胞质基质中合成淀粉 D.若图中表示的磷酸转运器活性受抑制,会导致光合速率下降 答案 D 解析 图中a表示光反应为暗反应提供的物质NADPH和ATP,在叶
24、绿体类囊 体薄膜上合成,A项错误;磷酸丙糖是三碳化合物,B项错误;由题图可知,磷 酸丙糖合成淀粉的过程是在叶绿体基质中进行的,C项错误;磷酸转运器活 性受抑制,不能将磷酸丙糖运出叶绿体和将磷酸运入叶绿体,造成叶绿体中 光合作用产物积累和缺少磷酸,导致光合作用速率降低,D项正确。 考向2 环境条件骤变对叶绿体中物质含量的影响 3.下图表示在夏季晴朗的白天植物细胞内C3和C5的相对含量随一种环境 因素改变的变化情况。下列对这一环境因素改变的分析,正确的是( ) A.突然停止光照 B.突然增加CO2浓度 C.降低环境温度 D.增加光照强度 答案 D 解析 增加光照强度,光反应产生的NADPH和ATP
25、增多,被还原的C3增多,生 成的C5增多,而CO2被C5固定形成C3的过程不变,故C3的相对含量将减少、 C5的相对含量将增加,D项正确。 方法技巧“来源去路法”分析环境条件改变时光合作用中相关物质的含量 变化 下图中表示光反应,表示CO2的固定,表示C3的还原,当外界条件(如 光照、CO2)突然发生变化时,可从物质的生成和消耗两个方面,综合分析相 关物质含量在短时间内的变化。 示例:CO2供应正常,光照停止时C3的含量变化 注意: (1)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化。 (2)以上各物质变化中,C3和C5含量的变化是相反的,NADPH和ATP含量变 化是一致的。 (3)具体分析时只有理清C3、C5的“来源”与“去路”(C3产生于CO2的固定,消 耗于C3的还原;C5产生于C3的还原,消耗于CO2的固定),才能避开试题陷阱。
