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第5章 第4节
人教版 生物(高中必修一)
光合作用与能量转化
二 光合作用的原理和应用
温故知新
外膜
内膜
基质
基粒
温故知新
类囊体
色素
酶
在叶绿体内部类囊体的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体薄膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
叶绿体是绿色植物进行
光合作用的细胞器。
本节聚焦
光合作用是怎样进行的？
光合作用过程中物质变化和能量转化有什么关系？
光合作用的原理在生产中有哪些应用？
一、光合作用原理
1.光合作用概念
叶绿体
光能
二氧化碳和水
储存着能量的有机物
氧气
绿色植物通过 ，利用 ，将 转
化成 ，并且释放出 的过程。
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能
叶绿体
(糖类)
光合作用释放的O2，是来自原料中的H2O还是CO2？
资料1：19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。
2.探索光合作用原理的部分实验
资料2：1937年，希尔发现，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），在光照下可以释放氧气。
结论：水的光解产生氧气。
希尔反应：离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应。
不能；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。
1.希尔实验能说明植物光合作用产生的氧气中氧元素全部都来自水？
2.希尔的实验能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应吗？
能；悬浮液有H2O，没有合成糖的原料—CO2
请同学完成资料1和2的阅读，并回答下列问题：
那怎样才能证明O2 全部来自水的光解呢？
2.探索光合作用原理的部分实验
资料3：1941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。
光照射下的
小球藻悬液
CO2
H2O
C18O2
H218O
18O2
O2
第一组
第二组
2.探索光合作用原理的部分实验
实验方法：
同位素示踪法
(不是放射性同位素示踪，15N、18O没有放射性)
实验变量：
自变量是 ，因变量是 。
其他变量 。
C18O2、H218O
释放出的O2是否含有18O
实验结论：
光合作用释放的O2中的氧元素全部来自水
请同学完成资料3的阅读，并回答下列问题：
1.鲁宾和卡门用了什么科学方法？
2.实验中的自变量和因变量都是什么？其他变量应该怎么处理？
3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
相同且适宜
2.探索光合作用原理的部分实验
资料4： 1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验：在给叶绿体光照时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi等物质时，体系中就会有ATP出现。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
H2O O2 + 2H+ + 能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
请同学们尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
2.探索光合作用原理的部分实验
以上表明，
1.水的光解过程中会产生氧气，同时有ATP生成
2.光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水
3.氧气的产生和糖类的合成不是同一个反应
因此根据是否需要光能，光合作用过程可以分为光反应和暗反应（也称碳反应）。（P103页）
2.探索光合作用原理的部分实验
请同学们阅读课本103页光反应阶段相关叙述，回答以下问题：
1.光反应的场所在哪里？
2.光反应中有哪些物质变化？
3.该过程能量发生了怎样的变化？
3.光合作用的过程
叶绿体
类囊体薄膜
上的色素
(一) 光反应阶段
ADP+Pi
ATP
2H2O
O2
光能
吸收
酶
光解
H+
NADPH
NADP+
光反应
类囊体薄膜
水的光解：
2H2O O2 + 4H+ + 4e-
光能
ATP的合成：
ADP＋Pi ＋能量（光能） ATP
酶
光能转变为活跃的化学能贮存在ATP、NADPH中。
(1) 场所：
(2) 物质变化
(3) 能量变化：
NADPH的形成：
NADP+ + H+ + 2e- NADPH
酶
3.光合作用的过程
请同学们阅读课本104页暗反应阶段相关叙述，回答以下问题：
1.卡尔文的实验用的什么方法？
2.实验的自变量和因变量是什么？
3.暗反应的场所在哪里？
4.暗反应中有哪些物质变化？
5.该过程能量发生了怎样的变化？
3.光合作用的过程
暗反应阶段：CO2如何转化为糖类？
卡尔文实验（P104）第二段
用14C标记的14CO2供小球藻进行光合作用，追踪检测其放射性。
14CO2→14C3→(14CH2O)和14C5
反应
时间
30秒
5秒
＜1秒
带14C标记的
化合物
很多种
14C3、14C5、14C6
90% 14C3
放射性同位素示踪法
②实验变量：
自变量是 ，
因变量是 。
时间
14C标记的化合物
①实验方法 ：
暗反应阶段：CO2如何转化为糖类？
探明了CO2中的碳转化为有机物中的碳的途径。
不断缩短光照时间后杀死小球藻,
同时提取产物并分析,直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物,该物质即为CO2转化成的第一个产物。
3.光合作用的过程
请同学们阅读课本104页暗反应阶段相关叙述，回答以下问题：
1.卡尔文的实验用的什么方法？
2.实验的自变量和因变量是什么？
3.暗反应的场所在哪里？
4.暗反应中有哪些物质变化？
5.该过程能量发生了怎样的变化？
3.光合作用的过程
暗反应阶段：CO2如何转化为糖类？
叶绿体
类囊体薄膜
上的色素
(二) 暗反应阶段
ADP+Pi
ATP
2H2O
O2
光能
吸收
酶
光解
H+
NADPH
NADP+
光反应
C5五碳化合物
2C3三碳化合物
(CH2O)糖类
固定
CO2
能
暗反应
还原
多种酶
(1) 场所：
(2) 物质变化
(3) 能量变化：
叶绿体的基质中
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
NADPH 、ATP
酶
NADPH和ATP中活跃的化学能转变为稳定的化学能储存在糖类中。
2C3
C5 + (CH2O) 糖类
卡尔文循环
3.光合作用的过程
请同学总结并填写导学案上的光合作用过程
ATP
NADPH
ADP+Pi
NADP+
C3
C5
O2
3.光合作用的过程
（三）光反应和暗反应区别和联系
请同学们整体梳理第103-104页光合作用的过程，完成下列任务：
1.列表比较光反应和暗反应阶段的场所、条件、发生物质变化和能量转化之间的区别。
2.两者存在怎样的联系？
（三）光反应和暗反应区别和联系
3.光合作用的过程
(三) 光反应与暗反应的关系
（三）光反应和暗反应区别和联系
光反应阶段 暗反应阶段（碳反应）
场所
条件
物质变化
能量变化
联系 项目
叶绿体类囊体薄膜上
叶绿体基质
光、色素、酶
有光无光都可以，多种酶
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能
ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH
暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料
光反应与暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分。（P104页）
过程
色素、酶
2H2O O2 + 4H++ 4e-
光
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
酶
NADP+ + H++ 2e- NADPH
酶
CO2＋C5 2C3
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
1.NADPH的作用？
在C3的还原中作还原剂
为C3的还原提供能量
2.暗反应有光无光都能进行，暗反应能长时间在黑暗条件下进行吗？
不能，在黑暗条件下不能进行光反应，暗反应缺少光反应提供的NADPH、ATP
请同学继续思考以下问题：
3.光合作用的过程
①C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
②O的转移：
H2O → O2
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
能。 H218O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。
思考：若给植物提供 H218O ,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。
光合作用的公式
C5
3.光合作用的过程
（四）光合作用的实质
（四）光合作用的实质
把无机物转变为有机物。
把光能转变为化学能并储存在有机物中。
合成有机物，储存能量。
细胞呼吸实质：
物质变化：
能量变化：
光合作用的实质：
分解有机物，释放能量。
3.光合作用的过程
环境条件改变各物质含量变化
二
时间
物质的量
光照增强
C3
NADPH、ATP、C5、（CH2O）合成量
C3
C5
(C3消耗加快，合成暂时不变)
(C5合成加快，消耗暂时不变)
环境条件改变各物质含量变化
二
环境条件改变各物质含量变化
二
时间
物质的量
光照减弱
C3
NADPH、ATP、C5、（CH2O）合成量
C3
C5
(C3消耗减慢，合成暂时不变)
(C5合成减少，消耗暂时不变)
时间
物质的量
CO2突然增多
C3、（CH2O）合成量
NADPH、ATP、C5
C3
C5
(C3合成增多，消耗暂时不变)
(C5消耗加快，合成暂时不变)
环境条件改变各物质含量变化
二
时间
物质的量
CO2突然减少
C3、（CH2O）合成量
NADPH、ATP、C5
C3
C5
(C3合成减少，消耗暂时不变)
(C5消耗减慢，合成暂时不变)
环境条件改变各物质含量变化
二
环境条件改变各物质含量变化
二
条件 C3 C5 NADPH、ATP (CH2O)合成量
CO2 不变 光照 增强 减少 增加 增加 增加
光照 减弱 增加 减少 减少 减少
光照强度不变 CO2浓度增大 增加 减少 减少 增加
CO2浓度减小 减少 增加 增加 减少
本节知识网络
某些细菌 能够利用 体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用
例：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
CO2+H2O （CH2O）+O2
能量
知识补充 化能合成作用
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌

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