1、第4节 光合作用的原理和应用第二课时 光合作用的原理一、光合作用概念和反应式叶绿体1.概念:绿色植物通过_,利用光能,将二氧化碳氧气和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出_的过程。CO2+H2O(CH2O)+O22.反应式:_。二、光合作用探究历程甲醛1.19世纪末,科学界普遍观点:C与H2O结合成_。糖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氧气_。氧气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)。ATP5.1954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相伴随。三、
2、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:类囊体薄膜(1)场所:叶绿体的_。光 色素酶(2)条件:_、_和有关的_。(3)物质变化:水的光解:H2OO2 2NADPH_+_ATPATP的合成:ADP+Pi+能量光能_。化学能(4)能量变化:将_ 变为活跃的_。3.暗反应阶段:叶绿体基质(1)场所:叶绿体内的_中。酶(2)条件:_的催化。(3)物质变化:CO2的固定:CO2+C52C3C3的还原:C3(C
3、H2O)CCATP稳(4)能量变化:_中活跃的化学能转变为有机物中_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
4、组材料,分别标记不同的物质: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。【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。美国科学家鲁宾和卡
5、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Y3的质量;
6、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:水分解成NADPH和O2ATP的合成:在相关酶的作用下,ADP和Pi形成AT
7、PCO2的固定:CO2+C52C3C3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.
8、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
9、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。2.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_ _ _ _ _ _ _光 反 应阶 段无氧呼吸第_一阶段、有氧呼 吸 第 _、一_阶 段二去向_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
10、_ _ _ _ _ _三 碳 化 合 物 的 还 原有氧呼吸第_三阶段【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 步(2)关键知识:光合作用总反应式中,氧气的释放
11、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, 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合成量减少,被还原的C3减少,导致C3含量增多,
12、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
13、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】
