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5.4 光合作用与能量转化
第二课时 光合作用的原理
绿色植物储存在有机物中的能量来自哪呢？
太阳能
太阳的光能又是
通过什么途径进
入植物体内的？
地球表面上的绿色植物每年大约制造4400亿吨有机物。
地球表面上的绿色植物每年储存的能量约为7.11x1018KJ,这个数字大约相当于240000个三门峡水电站所发出的电力。
一.光合作用的原理
CO2+H2O (CH2O)+O2
光能
叶绿体
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。
1.概念：
2.反应式：
3.实质：
合成有机物，储存能量
一.光合作用的原理
叶绿体
光能
一.光合作用的原理
思考 讨论：探究光合作用原理的部分实验
（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和H2O结合甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。
CO2
O2 释放
C+ H2O
甲醛
糖(CH2O)
问题：光合作用释放的氧气，来自原料中的水还是二氧化碳？
（2）1928年，发现甲醛对植物有毒害，
且不能通过光合作用转化成糖。
多个
缩合
（3）1937年，希尔
希尔反应：
一.光合作用的原理
思考 讨论：探究光合作用原理的部分实验
（3）1937年，希尔
一.光合作用的原理
思考 讨论：探究光合作用原理的部分实验
结论：水的光解产生氧气。
讨论2：希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？
能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。氧气产生和糖类合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。
讨论1：希尔反应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，反应体系中可以还存在其他氧元素供体，该实验没有排除叶绿体滤液中其它物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
（4）1940年，鲁宾和卡门( 同位素标记法)。
讨论3：鲁宾和卡门的实验，能得出什么结论？
一.光合作用的原理
C18O2
CO2
H2O
H218O
光照下的小
球藻悬液
O2
18O2
第1组
第2组
实验说明植物光合作用产生的氧气中全部都来自水
例1.（经典实验分析）1941年鲁宾和卡门利用 法探究光合作用释放的O2来自于H2O还是CO2。
若你来做这个实验，怎么设计实验？
（1）实验思路？
（2）预测结果。
同位素标记
实验思路:用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2 。第1组实验给小球藻提供H2O和C18O2，第2组实验给小球藻提供H218O和CO2 ，其他条件相同且适宜。收集并分析两组实验释放的氧气。
预测结果:①若第1组释放的氧气全是O2 ，第2组释放的氧气全是18O2则光合作用释放的O2来自于H2O;②若第1组释放的氧气全是18O2 ，第2组释放的氧气全是O2则光合作用释放的O2来自于CO2;③若第1组和第2组释放的氧气均有18O2则光合作用释放的O2既来自于H2O又来自CO2
一.光合作用的原理
H2O O2 + 2H+ + 能量
光照
叶绿体
（5）1954年，阿尔农
这一过程总是与水的光解相伴随。
讨论4：请尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
ADP+Pi ATP
一.光合作用的原理
思考 讨论：探究光合作用原理的部分实验
在光照时，叶绿体中生成了ATP。
划分依据:反应过程是否需要光能
光反应（光合作用第一阶段）
暗反应（光合作用第二阶段）又称碳反应
思考：
光反应在白天可以进行吗？夜间呢？
暗反应在白天可以进行吗？夜间呢？
有光才能反应
有光、无光都能反应
一.光合作用的原理
5.光合作用过程
阅读P103-104和识图5-14光合作用过程示意图并填表
光合作用过程的示意图
一.光合作用的原理
5.光合作用过程
光反应 暗反应
区别 反应场所
反应条件
物质变化
能量变化
联系
叶
绿
体
色
素
H2O
水的光解
叶
绿
体
色
素
O2
NADPH
ADP ＋Pi
ATP
色
素
（1）光反应阶段
一.光合作用的原理
5.光合作用过程
光能
说明：
NADP+：氧化型辅酶Ⅱ
NADPH：还原型辅酶Ⅱ
①条件：
光、
光合色素、
酶
②场所：
③物质变化：
水的光解：
ATP的合成：
叶绿体类囊体薄膜上
光能
⑤能量转变：
NADPH、ATP中活跃的化学能
④产物：
O2、NADPH、ATP
H2O 4H++O2
光
ADP＋Pi +光能 ATP
酶
（1）光反应阶段
一.光合作用的原理
5.光合作用过程
NADPH的合成：
NADP++2e-+H+→NADPH
一.光合作用的原理
（1）
CO2
C3
(CH2O)
C5
1946年开始，美国的卡尔文等用14CO2研究了CO2转化为糖的途径：向反应体系中充入一定量的14CO2,给予光照
①光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中。
②在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6).
（2）光反应阶段（卡尔文循环）
一.光合作用的原理
5.光合作用过程
③30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
放射性同位素标记法
2C3
C5
NADPH
ADP + Pi
（CH2O）+H2O
ATP
多种酶
参加催化
酶
CO2
还原
固定
酶
供能
卡尔文循环
（2）光反应阶段（卡尔文循环）
一.光合作用的原理
5.光合作用过程
①条件：
有光无光都可，需要多种酶
②场所：
叶绿体基质
③物质变化：
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
NADPH、ATP中活跃的化学能
2C3+NADPH （CH2O）+C5
酶
ATP
ADP+Pi
⑤能量变化：
糖类等有机物中稳定的化学能
④产物：
（CH2O） 、 ADP 、 Pi
（2）光反应阶段（卡尔文循环）
一.光合作用的原理
5.光合作用过程
H2O
O2
H+
NADP+
NADPH
ADP+Pi
ATP
CO2
2C3
C5
(CH2O）
光反应
暗反应
一.光合作用的原理
相关信息：葡萄糖、淀粉在叶绿体基质中合成；
蔗糖在细胞质基质中合成
蔗糖
筛管
植物各处
葡萄糖
淀粉
①若有机物为(CH2O)：
②（计算用）若有机物为C6H12O6：
总结1：反应式(写出反应式并标出元素的去向)
一.光合作用的原理
一.光合作用的原理
说明：
①光反应产生的ATP、[H]主要用于暗反应
②光合作用产生的[H]（光反应产生）是NADPH，呼吸作用产生的[H]（有氧呼吸第一、第二阶段产生）是NADH，所以它们不是同一种物质。P一93,103
③呼吸作用产生的ATP用于各项生命活动
一.光合作用的原理
(1)分析方法：需从物质的生成和消耗两个方向综合分析。
示例：CO2供应正常，光照停止时C3的含量变化
总结2：环境改变时光合作用各物质含量的变化分析
一.光合作用的原理
条件 光照由强到弱，CO2供应不变 光照由弱到强，CO2供应不变 CO2供应由充足到不足，光照不变 CO2供应由
不足到充足，光照不变
C3含量 增加 减少 减少 增加
C5含量 减少 增加 增加 减少
[H]和ATP的含量 减少 增加 增加 减少
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。
例如：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
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+6H2O C6H12O6+ 6O2
能量
二.化能合成作用
光合作用和化能合成作用的比较
光合作用 化能合成作用
本质 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 区 别 能量 光能 氧化无机物放出的＿＿＿
代表生物 绿色植物 硝化细菌等微生物
化学能
名师点拨　农业中松土可使硝化细菌在O2充足条件下将更多的NH3转化成NO3-或NO2-，提高肥效。
二.化能合成作用
自养生物
异养生物
如人、动物、真菌及大多数的细菌。
光能自养生物（如绿色植物、蓝细菌）
化能自养生物（如硝化细菌、铁细菌、硫细菌）
以光为能源，以CO2和H2O（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。
只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
二.化能合成作用
代谢类型
同化作用
异化作用
自养
异养
光能自养
(光合作用)
化能自养
需氧呼吸
厌氧呼吸
二.化能合成作用
硝化细菌的代谢类型是：
自养需氧型
一、概念检测
1.依据光合作用的基本原理，判断下列相关表述是否正确。
(1)光合作用释放的氧气中的氧元素来自水。( )
(2)光反应只能在光照条件下进行，暗反应只能在黑暗条件下进行。( )
(3)影响光反应的因素不会影响暗反应。( )
×
√
×
练习与应用（P106）
2.如果用含有14C的CO2来追踪光合作用中碳原子的转移途径，则是（ ）
A.CO2→叶绿素→ADP
B.CO2→叶绿体→ATP
C.CO2→乙醇→糖类
D.CO2→三碳化合物→糖类
D
练习与应用（P106）
3.根据光合作用的基本过程填充下图。
O2
2C3
C5
NADPH
ATP
ADP+Pi
NADP+
练习与应用（P106）

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