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第四节 光合作用与能量转化
——光合作用的原理和应用
(1) 概念:
(2) 过程:
指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
叶绿体是如何将光能转化为化学能？
又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？
光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？
CO2＋H2O （CH2O）＋O2
光能
叶绿体
一、光合作用
一、探究历程
19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
C6H12O6
葡萄糖
CH2O
甲醛
（CH2O）
碳水化合物
二、探索光合作用原理
一、探究历程
1937年，英国植物学家希尔（R.Hill)发现，在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。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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论1. 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？
不能说明。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。（P103）
二、探索光合作用原理
一、探究历程
1937年，英国植物学家希尔（R.Hill)发现，在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。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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论2. 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？
希尔反应是叶绿体离体状况下完成的，悬浮液中有H2O，没有CO2，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。（P103）
希尔实验只证实水光解产生氧气，未说明水光光解与糖的合成是同一反应。
二、探索光合作用原理
一、探究历程
1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)和卡门（M.Kamen)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H218O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H218O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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
CO2
H218O
光照射下的
小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
二、探索光合作用原理
一、探究历程
1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)和卡门（M.Kamen)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H218O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H218O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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论3. 分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
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。（P103）
思考：光合作用产生的有机物又是怎样合成的？
二、探索光合作用原理
一、探究历程
1954年，美国科学家阿尔农（D.Arnon)发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论4. 尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
光照
水
氧气
ADP+Pi
ATP
二、探索光合作用原理
一、探究历程
20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2 ，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终证明了CO2是如何转化为有机物中的碳的。（教材P104）
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论5. 卡尔文实验的结论是什么？。
14CO2
小球藻
有机物的14C
结论：
光合产物中有机物的碳来自CO2
二、探索光合作用原理
一、探究历程
卡尔文循环：CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径
C3是指三碳化合物---3-磷酸甘油酸
C5是指五碳化合物---核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）
二、探索光合作用原理
年代 科学家 结论
1664 海尔蒙特 水分是植物建造自身的原料
1864 萨克斯 绿色叶片光合作用产生淀粉
科学史话：光合作用的发现重要历程（除教材外）
海尔蒙特还有一个著名的实验，就是把两百磅的土壤烘干称重，然后在土里种下5磅重的柳树种子，收集雨水灌溉;五年后柳树长成169磅3盎司重，土壤再烘干称重，只少了2盎司。这证明树木的重量增加来雨水而非土壤。
德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处数小时“饥饿”处理（消耗掉叶片中的淀粉）后，再把叶片的一部分遮光处理，其它部分则接受光照。一段时间后，将该叶片经脱色、漂洗再用碘液处理，结果遮光部分不变蓝，受光照射部分变蓝．
二、探索光合作用原理
1、（2013海南10）某植物叶片不同部位的颜色不同，将该植物在黑暗中放置48 h后，用锡箔纸遮蔽叶片两面，如图所示。在日光下照光一段时间，去除锡箔纸，用碘染色法处理叶片，观察到叶片有的部位出现蓝色，有的没有出现蓝色。其中，没有出现蓝色的部位是
A．a、b和d
B．a、c和e
C．c、d和e
D．b、c和e
B
练习
色素分子
可见光
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
2H2O
O2
4[H]
多种酶
（卡尔文循环）
酶
(CH2O)
淀粉、蔗糖
CO2
吸收
光解
能
固定
还原
光反应
暗反应
第一阶段必须有光
第二阶段有无都可
（类囊体的薄膜）
（叶绿体基质）
（NADPH）
三、光合作用的过程
光反应和暗反应的区别与联系
光反应阶段 暗反应阶段
进行部位
条件
物质 变化
能量 变化
联系 类囊体薄膜
叶绿体基质中
光、水、色素和酶
CO2、ATP、 [H] 、多种酶
光能→活跃的化学能
储存在ATP 和NADPH中
ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
1.光反应为暗反应提供[H]和ATP
2.暗反应产生的ADP、Pi、NADP+为光反应合成ATP提供原料
CO2的固定CO2+C5 → 2C3
三碳的还原2C3 C5+（CH2O）
酶
ATP [H]
酶
水的光解 2H2O→4[H]+O2
合成ATP ADP+Pi → ATP
光
酶
光
ATP→ADP+Pi+能量
酶
（希尔反应）
（卡尔文循环）
（光合磷酸化）
三、光合作用的过程
光合作用中元素的转移
①H的转移：
H2O → NADPH→ (CH2O )
②C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
③O的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
H2O → O2
6CO2+12H2O
光能
叶绿体
C6H12O6+6H2O+6O2
三、光合作用的过程
1、NADPH和ATP的移动途径是什么？
从类囊体薄膜到叶绿体基质；
2、NADP+和ADP的移动途径呢？
从叶绿体基质到类囊体薄膜；
3、NADPH的作用？
①.活泼的还原剂；
②.储存部分能量供暗反应阶段利用；
思考 讨论
三、光合作用的过程
光合作用与呼吸作用
光合作用 呼吸作用
代谢类型
场所
条件
物质变化
能量变化
实质
同化作用
异化作用
叶绿体
光能→化学能
细胞质基质及线粒体
酶
光、色素、酶
无机物→有机物
有机物→无机物
化学能→ATP+放能
合成有机物、储存能量
分解有机物、释放能量
光合作用： CO2 + H2O →（CH2O）+ O2
呼吸作用：（CH2O）+ O2→ CO2 + H2O + 能量
三、光合作用的过程
教材P104一、3.根据光合作用的基本过程填充下图。
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
自变量：光照强度（调节光源与烧杯距离来控制）
因变量：氧气产生量（用单位时间浮起叶片数量表示）
无关变量：如温度、水分、 CO2等（要相同且适宜）
一、实验原理：
利用真空渗入法排除叶内细胞间隙的空气，充以水分，使叶片沉于水中。在光合作用过程中，植物吸收CO2放出O2，由于O2在水中的溶解度很小，而在细胞间积累，使原来下沉的叶片上浮。根据单位时间内圆形叶片上浮的数量，间接判断光合作用强弱。
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
二、实验步骤
1.用直径0.6cm打孔器打出大小相等的圆叶片30片（避开叶的主脉）
2. 将圆形叶片置于注射器内，并让注射器吸入清水，待排出注射器内残留空气后，用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞，使小
圆形叶片内的气体逸出。这一步骤可重复2-3次。
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
二、实验步骤
3.将内部气体逸出的小圆形叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。这样的叶片因为细胞间隙充满了水，所以全都沉到水底。
4.取3只小烧杯，分别倒入20 mL富含二氧化碳的清水(事先可通过玻璃管向清水内吹气补充二氧化碳，可用1%~2%的NaHCO3溶液提供二氧化碳)。
避免光合作用产生O2，使叶片上浮
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
二、实验步骤
5.分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片，然后分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照(5W的LED灯分别向3个实验装置照射，光照强弱可通过调节台灯与实验装置间的距离来决定)。
光源会产生热量，导致温度不同，所以为了保证单一变量，应该加一个盛水玻璃柱，排除温度对实验结果的影响。
冷光源
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
二、实验步骤
6.观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量。
三、实验记录
烧杯 光源 距离 光照强度 叶片上浮数量
1 5W 5cm 强
2 5W 30cm 中
3 5W 50cm 弱
四、实验结论
在一定光照强度范围内，光合作用随着光照强度的增加而增强
少
多
中
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
实验原理
让白光透过不同颜色的玻璃纸，与玻璃纸相同颜色的光才能通过，获得不同颜色（光质）的光。
变式：探究不同光质对光合作用强度的影响
根据同一时间内烧杯内小叶圆片上浮数量的差异，从而判断不同光质对光合作用强度的影响。上浮的数量越多，表明光合作用强度越大，反之则小。
其余操作方法同上。
分别用不同颜色的光（光质）去照射叶片。
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
编 号 1组 2组 3组 4组 5组
光 质 （自变量） 白光 紫光 蓝光 绿光 红光
对照组 实验组 光合作 用强度 （因变量） 以小圆叶 片浮起数 量为指标 第1次 10 8 4 0 10
第2次 10 8 3 0 9
第3次 10 9 3 0 9
第4次 10 8 2 0 9
第5次 10 8 3 0 9
平均值 10 8.2 3 0 9.2
某同学的实验结果（表格记录）
四、探究环境因素对光合作用强度的影响
小圆叶片浮起数量/片
不同光质的光
白光
紫光
蓝光
绿光
红光
0
2
4
6
8
10
10
8.2
3
0
9.2
不同光质对菠菜小圆叶片浮起数量的影响
实验结果转化为柱形坐标图
应用：温室大棚使用无色透明玻璃
1、(2003江苏、广东3)生长旺盛的叶片，剪成5毫米见方的小块，抽去叶内气体，做下列处理（见图及图注），这四个处理中，沉入底部的叶片小块最先浮起的是
C
练习
五、影响光合作用的因素
新陈代谢
同化作用
光能自养
6CO2+12H2O
C6H12O6+6O2+6H2O
光能
叶绿体
（光合作用）
化能自养
自养型
异养型
寄生、腐生、捕食
不能制造有机物，利用环境中现成的有机物来维持生命活动。
(人、动物、真菌、大部分细菌)
利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物）。如硝化细菌、硫细菌、铁细菌等。
（化能合成作用）
以光为能源，以无机物为原料合成有机物（糖类），并储存能量。如绿色植物。
六、化能合成作用
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+12H2O C6H12O6+ 6O2+ 6H2O
能量
酶
硝化细菌
六、化能合成作用
原料 产物 营养方式 利用的能量 生物体
光合 作用
化能 合成 作用
相同
相同
自养
某些无机物氧化时,所释放的能量
太阳能
绿色植物
少数种类
细菌
六、化能合成作用
新陈代谢类型
1）自养 需氧
大多数植物，蓝细菌（产氧光合），硝化细菌、硫细菌、铁细菌
2）自养 厌氧
绿硫细菌、红硫细菌（不产氧光合）
3）异养 需氧
大多数细菌，大多数动物，菟丝子
4）异养 厌氧
乳酸杆菌、破伤风杆菌、产甲烷杆菌，蛔虫
5）异养 兼性厌氧
酵母菌
六、化能合成作用
1、光合作用过程的正确顺序是
①二氧化碳的固定 ②氧气的释放
③叶绿素吸收光能 ④水的光解
⑤三碳化合物被还原
A.④③②⑤① B.④②③⑤①
C.③②④①⑤ D.③④②①⑤
2、在暗反应中，固定二氧化碳的物质是
A.三碳化合物　 B.五碳化合物
C.［Ｈ］　　　 D.氧气　
Ｄ
Ｂ
练习
3、光合作用的过程可分为光反应和暗反应两个阶段，下列说法正确的是
A.叶绿体类囊体膜上进行光反应和暗反应
B.叶绿体类囊体膜上进行暗反应，不进行光反应
C.叶绿体基质中可进行光反应和暗反应
D.叶绿体基质中进行暗反应,不进行光反应
4、光合作用过程中，产生ADP和消耗ADP的部位在叶绿体中依次为①外膜 ②内膜 ③基质 ④类囊体膜
A．③② B．③④
C．①② D．④③
D
B
练习
5、（2004全国卷3）离体的叶绿体在光照下进行稳定光合作用时，如果突然中断CO2气体的供应，短暂时间内叶绿体中C3化合物与C5化合物相对含量的变化是
A．C3化合物增多、C5化合物减少　
B．C3化合物增多，C5化合物增多
C．C3化合物减少，C5化合物增多　
D．C3化合物减少，C5化合物减少
C
练习
6、（2013重庆6）是水生植物黑藻在光照等环境因素影响下
光合速率变化的示意图。下列有关叙述正确的是
A.t1—t2，叶绿体类囊体膜上的色素吸收光能增加，基质中水光解加快，O2释放增多
B.t2—t3，暗反应（碳反应）限制光合作用。若在t2时刻增加光照，光合速率将提高
C.t3—t4，光照强度不变，光合速率的提高
是由于光反应速率不变、暗反应速率增强的结果
D.t4后短暂时间内，叶绿体中ADP和Pi含量
升高，C3化合物还原后的直接产物含量降低
D
练习
7、（2011新课标卷29）在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答问题：
⑴图中物质A是 ______（C3化合物、C5化合物）
⑵在CO2浓度为1%的环境中，
物质B的浓度比A的低，原因是_______；将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是______________。
⑶若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5化合物浓度达到稳定时，物质A的浓度将比B的________（低、高）。
⑷CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的_______（高、低），其原因_______。
C3化合物
暗反应速率在该环境中已达到稳定，即C3和C5化合物的含量稳定。根据暗反应的特点，此时C3化合物的分子数是C5化合物的2倍
当CO2浓度突然降低时，C5化合物的合成速率不变，消耗速率却减慢，导致C5化合物积累
高
低
CO2浓度低时，暗反应的强度低，所需ATP和NADPH少
练习
8、（2015全国29）为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135s。处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：
A组：先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%。
B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%。
C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%。
D组（对照组）：光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%。
回答下列问题：
练习
（1）单位光照时间内，C组植物合成有机物的量______（填“高于”、“等于”或“低于”）D组植物合成有机物的量，依据是___________________________________；
C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要_________，这些反应发生的部位是叶绿体的________。
（2）A、B、C三组处理相比，随着 _______________ 的增加，使光下产生的__________________能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。
高于
C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94%
光照
基质
光照和黑暗交替频率
ATP和还原型辅酶II
A组：先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%。
B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%。
C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%。
D组（对照组）：光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%。
练习
9、（2005广东37）在高等植物细胞中，线粒体和叶绿体是能量转换的重要细胞器，请回答以下问题：
(1)叶绿体中合成ATP的能量来源是 ，合成的ATP用于 ，释放的氧气的来源是 ，CO2除来自大气外还来源于 。
(2)线粒体中合成ATP的能量来源是 。合成的ATP用于 。吸收的氧气除来自大气外还来源于 。
（3）将提取的完整线粒体和叶绿体悬浮液，分别加入盛有丙酮酸溶液和NaHCO3溶液的两支大小相同的试管中，给予充足光照，都会产生气泡：请问这两种气泡成分是否一样 请解释原因。
(4)假如将上述两支试管移入黑暗的环境中，保持温度不变，两支试管产生气泡的量分别有什么变化 为什么
光能
C3的还原
水的分解
呼吸作用
有机物的分解
生命活动
光合作用
不一样。因为丙酮酸在线粒体中进行有氧呼吸，产生了CO2，而叶绿体利用HCO3—进行光合作用产生O2
练习
前者基本不变，后者逐渐减少直至停止。因为光是光合作用的必需条件，而在温度恒定时，呼吸作用基本稳定。
10、(2006全国30)为了验证叶片在光合作用和呼吸作用过程中有气体的产生和消耗，请用所提供的实验材料与用具，在给出的实验步骤和预测实验结果的基础上，继续完成实验步骤的设计和预测实验结果，并对你的预测结果进行分析。
实验材料与用具：烟草幼苗、试管两支、蒸馏水、NaHCO3稀溶液（为光合作用提供原料）、真空泵、暗培养箱、日光灯（实验过程中光照和温度等条件适宜，空气中O2、CO2在水中的溶解量及无氧呼吸忽略不计）。
实验步骤和预测实验结果：
（1）剪取两小块相同的烟草叶片，分别放入盛有等量蒸馏水和NaHCO3稀溶液的两支试管中。此时，叶片均浮在水面上。
（2）用真空泵抽去两支试管内液体中和叶肉细胞间隙中的气体，敞开试管口，可观察到叶片均下沉到试管底部。
（3）
· · ·
分析预测的结果
练习
实验步骤和预测实验结果：
（3）将这两支试管放在日光下，照光一段时间。结果：NaHCO3溶液中叶片上浮，蒸馏水中叶片仍在试管底部。
（4）再将这两支试管放在暗培养箱中一段时间。结果：NaHCO3溶液中叶片下沉，蒸馏水中叶片仍在试管底部。
分析预测的结果：
（1）光照下，NaHCO3稀溶液中的叶片进行光合作用，释放出的氧气多于呼吸作用消耗的氧气，叶肉细胞中的氧气增加，叶片上浮；而蒸馏水中缺乏二氧化碳和氧气，叶片不能进行光合作用和有氧呼吸，叶肉细胞间隙缺乏气体，因此叶片仍位于试管底部。
（2）黑暗中，NaHCO3稀溶液中的叶片进行呼吸作用，消耗了叶肉细胞间隙中的氧气，放出的二氧化碳，溶于NaHCO3稀溶液中，叶肉细胞间隙缺乏气体，叶片下沉。蒸馏水中缺乏氧气，叶片不能进行有氧呼吸，叶肉细胞间隙仍缺乏气体，因此叶片仍位于试管底部。
教材P108二、非选择题第1题
光合作用与能量转化
光合作用
光合作用应用
概念
反应式
探究历程
影响因素：光照、温度、二氧化碳、水分、矿质元素
硝化细菌
光合作用原理
过程
光反应：类囊体薄膜
暗反应：叶绿体基质
化能合成作用
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能
叶绿体
知识总结：

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