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第5章细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化
第2课时 光合作用的原理与应用
学习目标
核心素养
1.阐明光合作用的原理和实质。(重难点)
2.说出光合作用原理中的物质和能量变化。(重点)
3.理解光合作用原理在生产实践中的应用。(重点、难点)
物质与能量观：说明叶绿体从太阳光中捕获能量转化为细胞中有机物中的化学能。
科学思维：概括光合作用的概念、过程，理解影响光合作用的环境因素以及光合作用原理的应用。
社会责任：通过对光合作用原理的应用，提高解决生产和生活问题的担当和能力。
人们对光合作用的探索经历了漫长的历程。
一、光合作用的概念
光合作用：绿色植物通过 ，利用 ，把 转化成储存着能量的 ，并且释放 的过程。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
有机物
氧气
实 质：
无机物→有机物; 光能→活泼化学能→稳定化学能
反应式：
CO2 +H2O
光能
叶绿体
糖类（CH2O）+ O2
C6H12O6 +6H2O+6O2
6CO2 +12H2O
光能
叶绿体
计算用：
看似简单的光合作用的过程，却花费了数代科学家几百年的时间，其中的艰辛可想而知。认真阅读课本102页<思考·讨论>，分析科学家曾经做过的实验:
二、探索光合作用原理的部分实验
材料一：19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。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。
（教材P102--思考·讨论）
CO2
O2
C+ H2O
甲醛
糖(CH2O)
材料二：1937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草酸铁或其他氧化剂（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。
4Fe3++2H2O 4Fe2++4H++O2

光能
叶绿体
结论：
问题：光合作用释放的氧气，来自原料中的水还是二氧化碳？
水的光解产生氧气；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。
该实验能否说明O2全部来自于H2O吗？
不能说明，该实验没有排除叶绿体中其它物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
二、探索光合作用原理的部分实验
（教材P102--思考·讨论）
材料三：1941年鲁宾和卡门用同位素示踪法，研究了光合作用中O2的来源。
光照射下的小球藻悬液
C18O2
CO2
H2O
H218O
O2
18O2
研究方法：同位素标记法
结果与结论：
CO2 + H218O 18O2
C18O2 + H2O O2
结论：光合作用释放的氧来自水
并不来源于CO2
实验思路：
用18O分别标记的CO2和H2O作原料，研究了光合作用中O2的来源
（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 。第一组实验给小球藻提供H2O和C18O2，第二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若第一组释放的氧气全是O2 ，第二组释放的氧气全是18O2则光合作用释放的O2来自于H2O;②若第一组释放的氧气全是18O2 ，第二组释放的氧气全是O2则光合作用释放的O2来自于CO2;③若第一组和第二组释放的氧气均有18O2则光合作用释放的O2既来自于H2O又来自CO2
二、探索光合作用原理的部分实验
（教材P102--思考·讨论）
材料四：1954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+ NADPH + 能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
结论：光照时，叶绿体中生成了ATP。
尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系：
总结
上述实验表明，光合作用释放的氧气中的氧来自水，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。　
二、探索光合作用原理的部分实验
（教材P104第二自然段）
光合作用产生的有机物又是怎样合成的呢？
卡尔文（M.Calvin）
1946年开始，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).
（3）30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
图示：
CO2
C3
(CH2O)
C5
结论：光合产物中有机物的碳来自CO2
CO2转化成有机物的过程称为卡尔文循环
H2O
O2
H++2e
ATP
NADPH
ADP+Pi
酶
H2O
NADP+
酶
O2
三、光合作用的过程：
光反应（类囊体薄膜）
暗反应（叶绿体基质）
两个阶段
划分依据:
反应过程是否需要光能
ATP
NADPH
ADP+Pi
酶
CO2
C5
(CH2O)
多
种
酶
NADP+
酶
还
原
固定
2C3
C5
三、光合作用的过程：
光反应（类囊体薄膜）
暗反应（叶绿体基质）
两个阶段
划分依据:
反应过程是否需要光能
光反应阶段
暗反应阶段
CO2+C5
2C3
酶
2C3
(CH2O)+C5
酶
2C3
CO2
固 定
C5
多种酶
(CH2O)
还 原
1
2
O2
ATP
酶
ADP+Pi
叶绿体中色素分子
光能
H2O
水在光下分解
供能
酶
NADPH
NADP+
供能
供氢
2H2O
光解
4e+4H++O2
ADP+Pi+电能
酶
ATP
酶
NADP++2e+H+
NADPH
ATP
ADP+Pi
NADPH
NADP+
三、光合作用的过程
NADPH和ATP的移动方向？
从类囊体薄膜到叶绿体基质；
NADP+和ADP、Pi的呢？
从叶绿体基质到类囊体薄膜；
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；
光能→活泼的化学能
光反应与暗反应的联系？
光能
H2O
CO2
还
原
（CH2O）
叶绿体
色素
供氢
供能
酶
供能
多种酶
暗反应
（叶绿体基质）
2C3
C5
固定
ADP+Pi
ATP
酶
水在光下分解
O2
NADPH
NADP+
光反应
（叶绿体类囊体薄膜）
如何分析叶绿体中C3、C5、NADPH、ATP的动态变化？
光照增强
CO2供应不变
光照减弱
CO2供应不变？
光照不变
CO2供应增加？
光照不变
CO2供应减弱？
四、光合作用原理的应用之---测定光合速率
1.光合作用速率
(光合作用强度):
概念：
简单地说，指植物在____________内通过光合作用__________的数量.
单位时间
制造糖类
产生O2
利用CO2
真正光合速率，不能直接测出，只能根据净光合速率和呼吸速率计算得出；
实际/真正/总光合速率 ==表观/净光合速率+呼吸速率
测净光合速率：将植物置于密闭容器，并置于光下，测定容器内O2释放量或CO2吸收量或糖类积累量；
测呼吸速率：将植物置于密闭容器，并置于黑暗中，测定容器内O2消耗量、 CO2产生量、有机物消耗量；
四、光合作用原理的应用之---测定光合速率
2.光合速率和呼吸速率常见的表示方式与“关键词”：
实际/真正/总光合速率 == 表观/净光合速率 + 呼吸速率
有机物
(葡萄糖)
产生量
制造量
合成量
累积量/剩余量
增加量
净产生
消耗量
O2量
产生量
生成量
释放量
消耗量
利用量
黑暗下O2的吸收量)
CO2量
固定量
固定量
消耗量
环境减少量
吸收量
释放量
？植株/细胞/叶绿体
练习：对某植物测得如下数据：
30℃
30℃
15℃
一定强度的光照10h
黑暗下5h
黑暗5h
CO2减少880mg
O2减少160mg
O2减少80mg
若该植物处于白天均温30℃，晚上均温15℃、有效日照15h环境下，预测该植物1天24h中积累的葡萄糖为
A．315mg B．540mg
C．765mg D．1485mg
答案：C
净光合
呼吸
呼吸
净光合
四、光合作用原理的应用之---测定光合速率
3.测定光合速率的两种方法（共3种方法）：
（1）气体体积变化法：测光合作用产O2或消耗CO2的体积。
(1)装置甲黑暗条件下可测细胞呼吸速率，由于NaOH溶液吸收CO2，所以单位时间红色液滴左移的距离表示植物吸收O2速率，即呼吸速率。
(2)乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。
实际/真正/总光合速率 == 表观/净光合速率 + 呼吸速率
忽略温度对气体膨胀的影响
四、光合作用原理的应用之---测定光合速率
3.测定光合速率的方法（共3种方法）：
（2）半叶法—测定光合作用有机物的产生量
真正光合速率==(WA--WB)/S×t
实验期间：要阻止两部分的物质和能量转移。
实验开始时二者相应的有机物含量应视为相等
四、光合作用原理的应用之---测定光合速率
3.测定光合速率的方法（共3种方法）：
（3）叶圆片称重法——测定有机物的变化量
[测定原理] 测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，如图所示
以有机物的变化量测定光合速率(S为叶圆片面积)。
呼吸速率＝(x－y)/2S
净光合速率＝(z－y)/2S
总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S
?
活塞
着色液
刻度管
橡皮塞
无色玻璃容器
烧杯
绿色植株
NaHCO3缓冲液
装置１
思考：下图装置１能否用来进行光合速率的测定？
持续提供CO2,保持空间CO2浓度稳定．
植株光合作用的产O2量与呼吸作用的耗O2量的差值。
?
活塞
着色液
刻度管
橡皮塞
无色玻璃容器
烧杯
死植株
装置２
NaHCO3缓冲液
思考：1.NaHCO3缓冲液的作用？
２．着色液的移动方向，移动数值代表什么？
３．怎样排除物理误差？
能利用体外环境中的某些无机化合物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用
硝化细菌、硫细菌、铁细菌
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
五、化能合成作用（课本104页）
自养生物
------ 化能合成作用
六、光合作用的意义
（1）为生物生存提供了物质来源和能量来源；
（2）维持了大气中O2和CO2的相对稳定；
（3）对生物的进化有直接意义。

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