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1、光合作用的原理和应用 光合作用的原理 一、光合作用概念和反应式 1.概念:绿色植物通过_,利用光能,将二氧化碳 和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出_的 过程。 2.反应式:_。 叶绿体 氧气 CO2+H2O (CH2O)+O2 二、光合作用探究历程 1.19世纪末,科学界普遍观点:C与H2O结合成_。 2.1928年:甲醛不能通过光合作用转化成_。 3.1937年,英国希尔:离体叶绿体在适当条件下可产生 _。 甲醛 氧气 糖 4.1941年,鲁宾和卡门:研究了光合作用中_的来源 (氧气来源于H2O)。 5.1954年,美国阿尔农:光照下,叶绿体可合成_; 1957年:这一过程总是与水的光
2、解相伴随。 氧气 ATP 三、光合作用的过程 1.写出图中序号代表的物质或过程: _ _ _ _ _ _ _ NADPHATPCO2(CH2O)光反应暗反 应 2.光反应阶段: (1)场所:叶绿体的_。 (2)条件:_、_和有关的_。 (3)物质变化: 水的光解:H2O _+_ ATP的合成:ADP+Pi+能量 _。 (4)能量变化:将_转变为活跃的_。 类囊体薄膜 光色素酶 O2 2NADPH ATP 光能化学能 3.暗反应阶段: (1)场所:叶绿体内的_中。 (2)条件:_的催化。 (3)物质变化: CO2的固定:CO2+C5 2C3 C3的还原:C3 (CH2O) C3 C5 叶绿体基质
3、 酶 (4)能量变化:_中活跃的化学能转变为有机物中_ _。 ATP稳 定的化学能 【激疑】 (1)在无光条件下,暗反应能否长期进行? 提示:在无光条件下,光反应不能进行,光反应的产物 ATP和NADPH减少,不能满足暗反应的需求,暗反应将停 止进行。 (2)若暗反应停止,光反应能否持续进行? 提示:暗反应停止,光反应产生的ATP和NADPH积累过多, 抑制光反应的进行。 知识点一 光合作用的探究历程 1.希尔实验: (1)实验过程: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。 (2)实验结论:在适当条件下叶绿体产生氧气。 2.鲁宾和卡
4、门实验: 相互对照(条件相同的两组材料,分别标记不同的物质: 一组为 ,另一组为C18O2)。 3.阿尔农实验: 光照下叶绿体合成ATP,这一过程与水的光解相伴随。 【思考讨论】 希尔实验说明水光解可以产生氧气,是否说明植物光合 作用产生的氧气中的氧全部来自水?为什么?(科学思维 ) 提示:不能。叶绿体内还有其他含有氧元素的物质,不 能确定氧元素全部来自水。 【素养案例】 美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.kamen)用18O分别 标记H2O和CO2中的氧,进行光合作用实验。该实验证明 了( ) A.光合作用制造了有机物 B.光合作用需要利用根系吸收的水分 C.光合作用生成的氧来自水
5、 D.光合作用吸收的二氧化碳来自大气 【解析】选C。美国科学家鲁宾和卡门用18O分别标记 H2O和CO2中的氧,进行光合作用实验。实验过程中,发现 如果用18O标记H2O,光合作用释放的氧气中含有18O;用 18O标记CO 2,光合作用释放的氧气中没有 18O。科学家通 过相互对照实验,证明了光合作用生成的O2中的氧来自 H2O。 【素养迁移】 下面表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量 相等的条件下,小球藻进行光合作用的实验示意图。一 段时间后,以下相关实验比较不正确的是 ( ) A.Y2的质量大于Y3的质量 B.中小球藻的质量大于中小球藻的质量 C.中水的质量大于中水的质量 D.试管的
6、质量大于试管的质量 【解析】选C。Y1和Y3是O2,Y2和Y4是18O2,因此Y2的质量 大于Y3的质量;中小球藻中含有( )的有机物,而 中小球藻含有(CH2O)的有机物,故中小球藻的质量 大于中小球藻的质量;和中的水都为O,且含量相 同,因此质量相等;在试管和中原有质量相等的情 况下,中释放的是18O2,而中释放的是O2,故剩余质 量大于。 知识点二 光合作用的过程 1.光反应与暗反应的比较: (1)区别: 项 目光反应暗反应(碳反应) 实 质 光能转化为化学能, 并释放O2 同化CO2, 合成有机物 需要条件 外界条件:光照; 内部条件:色素、酶 不需要光照; 内部条件:酶 项 目光反应
7、暗反应(碳反应) 反应场所 叶绿体类囊体 的薄膜上 叶绿体基质内 物质变化 水的光解:水分解成 NADPH和O2 ATP的合成:在相关酶 的作用下,ADP和Pi形成 ATP CO2的固定:CO2+C5 2C3 C3的还原:2C3 (CH2O)+C5 项 目光反应暗反应(碳反应) 能量变化光能活跃的化学能 活跃的化学能有机物 中稳定的化学能 相应产物O2、ATP和NADPH糖类等有机物 (2)联系: 光反应为暗反应提供两种重要物质:NADPH和ATP, NADPH既可作还原剂,又可提供能量;暗反应为光反应提 供三种物质:ADP、Pi以及NADP+。 暗反应有光无光都能进行。若光反应停止,暗反应可
8、 持续进行一段时间,但时间不长,故晚上一般认为只进 行呼吸作用,不进行光合作用。 2.光合作用过程中的物质变化: (1)光合作用过程中C、O元素转移途径: (2)光合作用总反应式与C、H、O元素的去向: 3.光照和CO2浓度变化对细胞中C3、C5含量的影响: (1)理论依据:细胞中C3的含量取决于C3的生成速率和C3 的消耗速率。C3的生成通过CO2的固定实现,C3的消耗通 过C3的还原实现,如图所示:由C5+CO22C3可知,细胞中 C3、C5的含量变化相反。 (2)实例分析: 外界条件变化分 析结 果 光照 强弱 光反应减弱,NADPH和ATP减 少,C3还原减弱,C3消耗减 少,C5产生
9、减少 C3含量增多, C5含量减少 弱强 光反应增强,NADPH和ATP增 多,C3还原增强,C3消耗增 多,C5产生增多 C3含量减少, C5含量增多 外界条件变化分 析结 果 CO2 浓度 高低 CO2固定减弱,C3产生减 少,C5消耗减少 C3含量减少, C5含量增多 低高 CO2固定增强,C3产生增 多,C5消耗增多 C3含量增多, C5含量减少 【思考讨论】 1.若给植物提供 ,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。(生命观念) 提示: 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。 2.光合作用中的还原剂和细胞呼吸
10、中的还原剂是否相 同,完成下表:(科学思维) 光合作用过程中还原剂细胞呼吸过程中还原剂 本质 还原型辅酶 (NADPH) 还原型辅酶 (NADH) 来源_阶段 无氧呼吸第_阶段、有氧 呼吸第_、_阶段 去向_有氧呼吸第_阶段 光反应 一 二 三碳化合物的还原三 一 【素养案例】 阳光穿过森林中的空隙形成“光斑”,如图表示一株生 长旺盛的植物在“光斑”照射前后光合作用吸收CO2和 释放O2量的变化,据此正确的分析是( ) A.光斑照射前,光合作用无法进行 B.光斑照射后,光反应和暗反应迅速同步增加 C.光斑照射后,暗反应对光反应有限制作用 D.光斑移开后,光反应和暗反应迅速同步减弱 【解题导引】
11、 (1)图示信息: 光斑照射前有氧气的释放和二氧化碳的吸收。 光斑照射后氧气的释放速率和二氧化碳吸收速率增 加不同步。 光斑移开后,氧气的释放速率和二氧化碳吸收速率减 弱不同步。 (2)关键知识:光合作用总反应式中,氧气的释放量和二 氧化碳吸收量相等。 【解析】选C。光斑照射前,有氧气释放,说明植物细胞 在进行光合作用,A项错误;光斑照射后,光反应迅速增 加,而暗反应没有相应增加,二者不同步,B项错误;光斑 照射后,一开始光反应远高于暗反应,然后光反应逐渐 减弱,与暗反应保持一致,因此可以看出,暗反应限制了 光反应的进行,C项正确;光斑移开后,光反应迅速减弱, 而暗反应过一段时间后才减弱,二者
12、不同步,D项错误。 【素养探究】母题追问 科学思维分析与综合 光斑移开后,C3含量和C3的生成速率会如何变化?为什么 ? 提示:C3含量增多,C3的生成速率减慢。光斑移开后,光 反应减弱,NADPH和ATP合成量减少,被还原的C3减少,导 致C3含量增多,进而反馈抑制C3的生成过程,导致C3的生 成速率减慢。 【素养迁移】 在其他条件适宜的情况下,在供试植物正常进行光合作 用时突然停止光照,并在黑暗中立即开始连续取样分 析,在短时间内叶绿体中C3和C5含量的变化是( ) A.C3和C5都迅速减少 B.C3和C5都迅速增加 C.C3迅速增加,C5迅速减少 D.C3迅速减少,C5迅速增加 【解析】
13、选C。由题意知,在其他条件适宜的情况下,在 供试植物正常进行光合作用时突然停止光照后,光反应 停止,NADPH和ATP下降,C3的还原减弱直至停止,而CO2 的固定则继续进行,但由于缺少NADPH和ATP,C3不能被 还原而积累,使C3迅速增加;C5是植物体细胞内具有一 定数量且能循环利用的物质,当C3不能被还原再形成C5 时,C5将迅速减少。所以,在供试植物正常进行光合作 用时突然停止光照,并在黑暗中立即开始连续取样分 析,此时叶绿体中C3迅速增加,C5迅速减少。 【补偿训练】 在叶绿体中,ATP和ADP的运动方向是( ) A.ADP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ATP则向相反 方向运动 B.ATP与ADP同时由类囊体薄膜向叶绿体基质运动 C.ATP与ADP同时由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动 D.ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ADP的运动方 向则正好相反 【解析】选D。叶绿体是进行光合作用的场所,光反应 在叶绿体类囊体薄膜上进行,此过程中消耗来自叶绿体 基质的ADP,产生ATP,供暗反应阶段C3的还原,所以叶绿 体中ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ADP则由叶 绿体的基质向类囊体薄膜运动。 【课堂回眸】