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5.4 光合作用与能量转化学案
【预习新知】
捕获光能的色素
一、 是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
二、绿叶中色素的提取和分离
1.绿叶中色素的提取
（1）原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂 中。
（2）试剂的作用
① ：溶解并提取色素。
② ：有助于研磨充分，释放叶绿体中的色素。
③ ：可以防止色素被破坏。
（3）实验步骤
2.绿叶中色素的分离
（1）原理：不同色素在层析液中的 不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。
（2）实验步骤
三、绿叶中的色素种类与光能吸收
色素种类 叶绿素(3/4) 类胡萝卜(1/4)
叶绿素b 叶黄素
颜色 黄绿色 黄色
光能吸收 主要吸收蓝紫光和红光 主要吸收蓝紫光
分布 叶绿体的类囊体的 上
叶绿体的结构适于进行光合作用
1．叶绿体
(1)叶绿体的结构
②色素及酶的分布
(2)分布：主要分布在植物的叶肉细胞内。
(3)功能：叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
2．叶绿体功能的实验验证
(1)实验者：德国科学家恩格尔曼。
(2)实验过程及现象
资料1：
②紧接着又做了一个实验：他用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚在红光和蓝紫光区域。
(3)实验结论
①叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
②叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。
(4)实验设计的巧妙之处
①实验材料用水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察，用好氧细菌可确定释放氧气的部位。
②没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。
③用极细的光束照射，叶绿体上可分为有光照和无光照的部位，相当于一组对比试验。
④临时装片局部曝光与完全暴露在光下的实验再一次验证实验结果。
资料2：
在叶绿体的类囊体和基质中，含有多种进行光合作用的酶。
该资料说明光合作用的有关生化反应在叶绿体中进行。
3．总结
在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。色素和酶是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
光合作用的原理
1.概念
光合作用是指绿色植物通过 ，利用 ，将 和 转化成储存着能量的 ，并且释放出 的过程。
2.反应式：
3.探索光合作用原理的部分实验
时间及科学家 观点或实验过程 发现或实验结论 实验特点
19世纪末到1928年 在光合作用中，CO2中的C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，甲醛分子缩合成糖 甲醛对植物有毒害作用，甲醛 通过光合作用转化成糖
1937年希尔 (英国) 离体叶绿体的悬浮液＋铁盐或其他氧化剂O2 离体叶绿体在适当条件下发生 的光解，产生 悬浮液中有H2O，无CO2
1941年鲁宾、卡门(美国) 向植物提供 光合作用释放的O2来自 相互对照。 自变量：标记物； 因变量：
1954年、1957年阿尔农(美国) 光照下，叶绿体可合成 ，这一过程总与水的光解相伴随
20世纪40年 代 (美国) 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 探明了CO2中的碳在光合作用中转化成 中碳的途径 利用 法
4.光合作用的过程
(1)Ⅰ是 阶段
①场所：在 上进行。
②条件：必须有 、叶绿体中的 和酶。
③过程
a.水的光解：2H2O4 ＋ ；
b.ATP的生成：ADP＋Pi 。
④能量转变：光能一部分转变为 中活跃的化学能；一部分储存在 中。
(2) Ⅱ是 阶段
①场所：在 中进行。
②条件：有光无光均可，需要多种 参与。
③过程
a.CO2的固定：CO2＋ ；
b.C3的还原： ＋NADPH ＋C5。
④能量转变： 中活跃的化学能和 中部分能量→ 中稳定的化学能。
(3)图中 ① ；② ；③ ；④ ；⑤ ；⑥ ；⑦ 。
(4)光反应与暗反应的联系
①光反应为暗反应提供 、 ；暗反应为光反应提供 、 、 。
②没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法合成。总之，光反应是暗反应所需物质和能量的准备阶段，暗反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段。
(5)总反应式
a.产物为(CH2O)：
b.产物为C6H12O6：
(6)元素的转移途径
①H：3H2O 。
②C：14CO2 。
③O：H218O ；C18O2 。
（一）光合作用原理的应用
1．光合作用的强度
(1)概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
(2)表示方法
单位时间内光合作用
(3)影响光合作用的因素
2．探究光照强度对光合作用强度的影响
3．在生产实践中的应用
实例 原理
间作套种 不同植物对光照的需求不同
冬季大棚温度白天适当提高，晚上适当降低 白天提高温度，促进光合作用；夜间降温，抑制呼吸作用
“正其行、通其风” 增大CO2浓度，有利于光合作用的进行
合理灌溉 缺少水导致气孔关闭，CO2供应不足
4．化能合成作用
(1)概念：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。
(2)实例：硝化细菌能利用土壤中的氨(NH3)氧化成亚硝酸(HNO2)，进而氧化成硝酸(HNO3)的过程中所释放的化学能将CO2和H2O合成糖类，供自身利用。
【巩固训练】
1.下列关于“提取和分离叶绿体色素”实验叙述合理的是( )
A.用有机溶剂提取色素时，加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素被破坏
B.画滤液细线时需要间隔画2-3次，从而累积更多的色素，使实验现象更加明显
C.纸层析分离色素时，色素的迁移速度与其在无水乙醇中的溶解度呈正相关
D.用红色苋菜叶进行实验可得到5条色素带，花青素（水溶性色素）位于叶绿素a、b之间
2.下列对“绿叶中色素的提取和分离”实验描述错误的是( )
A.研磨叶片时加二氧化硅的目的是使研磨更加充分
B.随层析液在滤纸条上扩散速度最快的色素是胡萝卜素
C.最宽的一条色素带中的色素主要吸收蓝紫光
D.实验应在通风条件下进行，实验结束后用肥皂将手洗干净
3.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色素
4.下列有关叶绿体的说法正确的是( )
A.叶绿体增大膜面积的方式与线粒体相同
B.叶绿体中的色素都分布在类囊体薄膜上,酶都分布在基质中
C.叶绿体产生的O2除供自身利用外,还可被线粒体利用
D.线粒体产生的CO2被叶绿体利用至少需穿过4层磷脂双分子层
5.2004年，我国科学家在《自然》杂志上，以封面文章发表了《菠菜主要捕光复合物2.72λ分辨率的晶体结构》。该捕光复合物主要分布于( )
A.叶绿体基质 B.叶绿体基粒 C.叶绿体内膜 D.叶绿体外膜
6.某研究小组分别对植物甲、乙进行光合作用强度的测定，实验结果得到曲线如图所示。下列叙述正确的是( )
A.光照强度为0时，植物甲产生ATP的场所只有线粒体
B.光照强度为M时，植物甲和植物乙的真正光合速率相等
C.光照强度为500lx时，限制植物甲乙光合作用的因素可能是温度
D.光照强度为1000lx时，可考虑通过提高CO2浓度提高植物乙的光合速率
7.将植物栽培在适宜的光照、温度和CO2充足的条件下,如果将环境中CO2的含量突然降至极低水平,此时叶肉细胞内的C3、C5和ATP含量的变化情况依次是( )
A.上升、下降、上升 B.下降、上升、下降
C.下降、上升、上升 D.上升、下降、下降
8.农业生产中常进行水稻和油菜轮作，使得3、4月份桂林市区周边的油菜花很多。其不仅作为应季旅游资源的重要补充，也有效地利用土地资源，提高农作物的产量和品质。下列相关叙述错误的是( )
A.合理轮作通过增加作物密度来提高产量
B.中耕松土能增加根系的氧气供应，促进根细胞呼吸
C.合理的“正行”种植，有利于通风和充足的光照，促进光合作用
D.油菜花作为旅游资源体现了生物多样性的直接价值
9.科学家在厌氧型光合细菌中发现了一种利用菌绿素的原始光合作用机制，其基本原理如图所示。该细菌的光合作用与高等植物相比，下列叙述错误的是( )
A. ATP的合成同样依赖色素分子吸收光能
B. 菌绿素和叶绿素同样位于类囊体薄膜
C. （CH2O）的合成都需要ATP和NADPH的参与
D. 该细菌不释放O2是因为NADPH的H来自H2S
10.在农业生产和科学研究过程中，经常需要根据生物学原理采取某些措施使植物生长满足人们的需求，下列叙述正确的是( )
A. 在大棚里增施CO2为了促进有氧呼吸
B. 去除顶芽是为了促进果实的成熟
C. 人工授粉是为了保留全部亲本性状
D. 人工补光是为了提高植物有机物的积累
参考答案
1.答案：B
解析：A、用有机溶剂提取色素时，加入碳酸钙是为了防止叶绿素分子被破坏，A错误;B、若连续多次重复画滤液细线可累积更多的色素，但也会使滤液细线变粗，易出现色素带重叠，B正确;C、在该实验中可以根据色素带的宽度来定性描述色素的含量，但并不能准确的测定色素的含量，C错误;D、花青素为水溶色素不溶于无水乙醇，用红色苋菜叶进行实验不可以得到5条色素带，D错误。
2.答案：C
解析：A、研磨叶片时加二氧化硅的目的是使研磨得充分，A正确；
B、胡萝卜素在层析液中溶解度最大，随层析液在滤纸条上扩散速度最快，B正确；
C、最宽的一条色素带是叶绿素a，主要吸收蓝紫光和红光，C错误；
D、由于层析液中含有对人体有毒的物质，因此，实验应在通风条件下进行，且实验结束后用肥皂将手洗干净，D正确。
故选C。
3.答案：A
解析：题干信息“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醇酸”说明，乙醇酸是在暗反应中合成的，合成场所相当于叶绿体基质，A正确；
该反应体系既能在类囊体上进行光反应，又能利用16种酶等物质进行暗反应，因此该反应体系不断消耗的物质有CO2、H2O等，B错误；
类囊体上进行的光反应为暗反应中C3的还原提供了NADPH和ATP，光反应产生的O2不参与暗反应，C错误；
该反应体系中有类囊体，在光照条件下还可实现连续的CO2固定与还原，说明该反应体系中有吸收、传递和转化光能的光合作用色素，D错误。
4.答案：D
解析：叶绿体内的类囊体堆叠形成基粒，扩大了细胞内的膜面积，这与线粒体不同。叶绿体中的色素都分布在类囊体薄膜上;酶在类囊体薄膜和叶绿体基质中都有分布。光合作用不消耗氧气，叶绿体产生的O2可被有氧呼吸第三阶段利用，剩余的O2释放到周围环境中。线粒体产生的CO2被同一细胞的叶绿体利用时需穿过2层线粒体膜和2层叶绿体膜共4层磷脂双分子层。
5.答案：B
解析：A、叶绿体基质是暗反应的场所，分布着许多与暗反应有关的酶，A错误;
B、叶绿体类囊体是光反应的场所，分布着许多与光合作用光反应有关的色素和酶，光合色素的作用是吸收、传递、转化光能，B正确;
CD、叶绿体内膜和外膜不是光合作用发生的场所，捕光复合物不会分布于此，CD错误。
6.答案：D
解析：A、光照强度为0时，植物甲只进行呼吸作用，产生ATP的场所有细胞质基质和线粒体，A错误;
B、光照强度为M时，植物甲和植物乙的净光合速率相等，但由于二者呼吸强度不等，真正的光合速率不相等，B错误;
C、光照强度为500lx时，植物甲乙光合作用没有达到最大值，限制的因素主要是横坐标对应的光照强度，C错误;
D、光照强度为1000lx时，光照强度已经不是限制因素，限制因素可能是温度、二氧化碳浓度等，可考虑通过提高CO2浓度提高植物乙的光合速率，D正确。
7.答案：C
解析：在其他条件都适宜的情况下,CO2含量突然降低会导致CO2的固定受阻,致使C3的来源减少。而C3的还原过程仍在进行(由于其他条件都适宜,有足够的ATP和[H],导致C3不断被还原而减少,C5不断产生而增加。由于C3的来源不足,致使ATP的利用减少而含量上升。
8.答案：A
解析：A、合理轮作通过调整作物的种植顺序，可充分利用全年的光照和土壤中各种营养成分来提高产量，A错误;
B、中耕松土能增加根系的氧气供应，促进根细胞呼吸，有利于根细胞对矿质元素的吸收，B正确;
C、合理的正行种植，有利于通风，增加CO2浓度和提供充足的光照，促进光合作用，C正确;
D、生物多样性具有直接价值、间接价值和潜在价值，油菜花作为旅游资源体现了生物多样性的直接价值，D正确。
故选A。
9.答案：B
解析：A、高等植物光合作用过程中，ATP的合成依赖光合色素吸收光能，识图分析可知，厌氧型光合细菌中ATP的合成同样依赖色素分子（菌绿素）吸收光能，A正确;
B、菌绿素是厌氧型光合细菌中分布的色素，细菌属于原核生物，没有叶绿体，也没用类囊体薄膜存在，高等植物的叶绿素位于类囊体薄膜上，B错误;
C、高等植物暗反应过程中C，还原需要ATP和NADPH的参与，生成（CH2O），图中厌氧型光合细菌（CH2O）的合成也需要ATP和NADPH的参与，C正确;
D、识图分析可知，图中H2S转变为的过程中合成了NADPH，因此该细菌不释放O2是因为NADPH的H来自H2S,D正确。
故选B。
10.答案：D
解析：A、在大棚里增施CO2是为了促进光合作用，A错误;
B、去除顶芽是为了促进侧芽的生长，B错误;
C、人工授粉是为了提高受精率，C错误;
D、人工补光是为了提高植物光合作用，从而提高植物有机物的积累，D正确。
故选D。

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