資源簡介

必修1 第5章 細胞的能量供應和利用
第4節　光合作用與能量轉化
二、光合作用的原理和應用
班別：____________ 姓名：____________
學習目標 通過對光合作用原理的部分實驗的探索，闡明光合作用的原理并說明光合作用的過程。
核心素養 生命觀念 通過對光合作用過程的認識，建立起生物學的物質觀和能量觀。
科學思維 建立光合作用的光反應和暗反應的過程模型，細解二者之間的關系，培養科學建模的能力。
『知識目標 夯實基礎』
1．光合作用的概念
2．光合作用的反應式
3．探索光合作用原理的部分實驗
時間/發現者 內容
19世紀末 科學界普遍認為，在光合作用中，CO2分子的C和O被分開， 被釋放， 與H2O結合成甲醛，然后甲醛分子縮合成糖
1928年 科學家發現甲醛對植物有 作用，而且甲醛不能通過光合作用轉化成糖
1937年希爾(英國) 在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑(懸浮液中有H2O，沒有CO2)，在光照下可以釋放出 。
1941年魯賓、卡門(美國) 用同位素示蹤的方法，研究了光合作用中氧氣的來源，HO＋CO2―→植物―→18O2，H2O＋C18O2―→植物―→O2，得出光合作用釋放的氧全部來自 。
1954年阿爾農(美國) 在光照下，葉綠體可合成 ，這一過程總是與 相伴隨
4．光合作用過程
(1)光反應階段
①條件： 。
②場所： 。
③物質變化
a．將H2O分解為 ，其中H＋與NADP＋結合形成 。
b．使ADP和Pi反應形成 。
④能量變化
將光能轉化為儲存在 中的化學能。
(2)暗反應階段
①條件： 都能進行。
②場所： 。
③過程(卡爾文循環)
a．CO2的固定：C5＋CO22C3。
b．C3的還原：2C3(CH2O)＋C5。
④能量變化：NADPH、ATP中活躍的化學能變為 。
(3)光反應與暗反應之間的聯系
光反應為暗反應提供 ，暗反應為光反應提供 。
『知識目標 易錯辨析』
1．植物在夜晚不能進行光反應，只能進行暗反應(　　)
2．光合作用中ATP的移動方向是從葉綠體基質到類囊體薄膜(　　)
3．光合作用中ADP的移動方向是從葉綠體基質到類囊體薄膜(　　)
4．光合作用過程中產生的ATP可以為細胞內的各項生命活動提供能量(　　)
5．14CO2中C的轉移途徑是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)(　　)
特別提醒　(1)光反應階段必須是在有光條件下進行，而暗反應階段有光無光都能進行，但需光反應提供的NADPH和ATP，故暗反應不能長期在無光環境中進行。
(2)光反應階段為暗反應階段提供ATP、NADPH，ATP從類囊體薄膜移向葉綠體基質。而暗反應則為光反應提供ADP和Pi，ADP從葉綠體基質移向類囊體薄膜。
(3)光合作用的光反應階段產生的ATP只能用于暗反應，不用于其他生命活動過程。
『思維目標 強化素養』
1．光合作用原理的探索實驗分析
(1)實驗一：希爾實驗
①希爾的實驗說明水的光解產生氧氣，是否能說明植物光合作用產生的氧氣中的氧元素全部來自水？
②希爾的實驗是否能說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應？
(2)實驗二：魯賓和卡門的實驗
分析魯賓和卡門做的實驗，你能得出什么結論？
(3)實驗三：20世紀50年代，卡爾文及其同事因在光合作用方面的研究成果，獲得了1961年的諾貝爾化學獎。卡爾文將小球藻裝在一個密閉容器中，通過一個通氣管向容器中通入CO2，通氣管上有一個開關，可控制CO2的供應，容器周圍有光源，通過控制電源開關可控制光照的有無。
他向密閉容器中通入14CO2，當反應進行到5 s時，14C出現在一種五碳化合物(C5)和一種六碳糖(C6)中，將反應時間縮短到0.5 s時，14C出現在一種三碳化合物(C3)中，上述實驗中卡爾文等是通過控制 來探究CO2中碳原子轉移路徑的，采用了
等技術方法。
2．光合作用過程分析
請結合教材光合作用原理圖分析，外界條件突然改變，NADPH、C5、C3、ATP的含量如何變化？
條件 光照由強到弱，CO2供應不變 光照由弱到強，CO2供應不變 CO2供應由充足到不足，光照不變 CO2供應由不足到充足，光照不變
C3含量
C5含量
NADPH和ATP的含量
(CH2O)的合成量
【梳理網絡】
1．光合作用的實質是 ；而呼吸作用的實質是 。
2．光反應的場所是 ，產物是 。
3．暗反應的場所是 ，產物是 。
4．光合作用中的物質轉變
(1)14CO2→ → ； (2)HO→ 。
5．光合作用中的能量轉變：光能→ 中活躍的化學能→ 中穩定的化學能。
『能力目標 隨堂演練』
1．希爾從細胞中分離出葉綠體，并發現在沒有CO2時，給予葉綠體光照，就能放出O2，同時使電子受體還原。希爾反應是：H2O＋氧化態電子受體→還原態電子受體＋1/2O2。在希爾反應的基礎上，阿爾農又發現在光下的葉綠體，不供給CO2時，既積累NADPH也積累ATP；進一步實驗，撤去光照，供給CO2，發現NADPH和ATP被消耗，并產生有機物。下列關于希爾反應和阿爾農發現的敘述不正確的是(　　)
A．光合作用釋放的O2來自水而不是CO2
B．NADPH和ATP的形成發生在葉綠體類囊體薄膜上
C．希爾反應與CO2合成有機物的過程是兩個過程
D．光合作用的需光過程為CO2合成有機物提供ATP和NADPH
2．用14C標記CO2，可用于研究光合作用中(　　)
A．光反應的條件 B．暗反應的條件
C．能量的轉換過程 D．由CO2合成糖的過程
3．如圖表示光合作用的過程，其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用的兩個階段，a、b表示相關物質。下列相關敘述正確的是(　　)
A．階段Ⅰ表示暗反應 B．階段Ⅱ表示光反應
C．物質a表示NADPH D．物質b表示C3
4．正常生長的綠藻，照光培養一段時間后，用黑布迅速將培養瓶罩上，此后綠藻細胞的葉綠體內不可能發生的現象是(　　)
A．O2的產生停止 B．CO2的固定加快
C．ATP/ADP比值下降 D．NADPH/NADP＋比值下降
5．如圖表示在夏季的某一個晴天，某植物細胞光合作用過程中C3、C5的含量變化，若第二天中午天氣由艷陽高照轉為陰天，此時細胞中C5、C3含量的變化分別相當于曲線中的哪一段(　　)
A．c→d段(X)，b→c段(Y) B．b→c段(Y)，b→c(X)
C．d→e段(Y)，c→d段(X) D．d→e段(Y)，d→e段(X)
6．將一株質量為20 g的黃瓜幼苗栽種在光照等適宜的環境中，一段時間后植株達到40 g，其增加的質量來自(　　)
A．水、礦質元素和空氣 B．光、礦質元素和水
C．水、礦質元素和土壤 D．光、礦質元素和空氣
7．在科學家對光合作用的探索歷程中，下列哪一項敘述不準確(　　)
A．恩格爾曼以水綿為實驗材料，證明光合作用是發生在葉綠體的受光部位
B．希爾發現離體葉綠體在適當條件下，可以發生水的光解并產生氧氣
C．魯賓和卡門利用同位素示蹤的方法，證明光合作用中釋放的氧氣來自二氧化碳
D．阿爾農發現光合作用中葉綠體合成ATP總是與水的光解相伴隨
8．(2019·山東高一月考)在實驗室中，如果要測定藻類植物是否完成光反應，最好是檢驗其(　　)
A．氧氣的釋放量 B．ATP的生成量
C．二氧化碳的消耗量 D．葡萄糖的合成量
9．用同位素分別標記二氧化碳和水，做了如下實驗，就實驗結果、結論的敘述不正確的是(　　)
A．結果：物質A和物質B都是氧氣
B．結果：物質A和物質B均無放射性
C．結論：物質A和物質B的相對分子質量之比為9∶8
D．結論：光合作用釋放的氧氣中氧元素來源于水
10．某科學家用含14C的二氧化碳來追蹤光合作用中碳原子轉移途徑，能正確表示碳原子轉移途徑的是(　　)
A．CO2→葉綠素→ADP B．CO2→C3→葡萄糖
C．CO2→酒精→葡萄糖 D．CO2→葉綠素→ATP
11．光合作用是生物界最基本的物質代謝和能量代謝。如圖為綠色植物光合作用圖解，下列敘述正確的是(　　)
A．①是光合色素，分布在細胞質基質中 B．②是氧氣，在類囊體薄膜上產生
C．③是C5，能被還原為(CH2O) D．④是ATP，在葉綠體基質中生成
12．(2020·濟南市歷城第二中學高一期末)光合作用過程包括光反應和暗反應，下圖表示光反應與暗反應的關系，據圖判斷下列敘述不正確的是(　　)
A．光反應為暗反應提供ATP和NADPH
B．停止光照，葉綠體中ATP和NADPH含量下降
C．ATP的移動方向是由類囊體薄膜到基質
D．植物在暗處可大量合成(CH2O)
13．下列有關光合作用的敘述，正確的是(　　)
A．光反應和暗反應的進行都需要光
B．光反應和暗反應的進行都需要酶的參與
C．光反應和暗反應的進行都需要消耗ATP
D．光反應和暗反應都是在葉綠體的類囊體薄膜上進行
14．(2020·遼寧高一期末)下列關于光合作用的敘述，錯誤的是(　　)
A．光合作用可以將無機物合成為有機物
B．細胞中如果沒有葉綠體就不能進行光合作用
C．暗反應需要光反應提供ATP和NADPH
D．暗反應過程中，CO2被C5固定生成C3
15．下圖為某植物光合作用過程示意圖。請據圖回答下列問題：
(1)在類囊體上分布有吸收光能的________，其經提取后再層析分離，擴散最慢的色素帶呈________色。
(2)圖中①為________，(CH2O)中的能量直接來源于圖中______________________________。
(3)14CO2進入葉綠體后，首先能檢測到含14C的有機物是________，該物質被還原成糖類需要光反應提供__________________。
(4)光合作用過程中，發生的能量變化是__________________________________________。
(5)若突然停止光照，則短時間內④的含量將________(填“增加”“減少”或“不變”)，原因是___________________________________________________________________。
『能力目標 課外作業』
1．如圖表示某生物膜結構及其發生的部分生理過程，下列敘述正確的是(　　)
A．圖中膜結構表示葉綠體內膜，B側為葉綠體基質
B．圖示過程的能量變化是光能轉變成ATP和NADPH中穩定的化學能
C．甲表示色素分子，其中類胡蘿卜素主要吸收紅光和藍紫光
D．圖示光反應部分過程，水分解為氧和H＋的同時還產生電子
2．Rubisco是大量存在于植物細胞葉綠體中的酶，參與CO2與C5反應，其活性遠低于其他酶。該酶有兩個CO2結合位點a、b，CO2分子與位點a結合后激活該酶，進而促進位點b上CO2的固定進程。下列關于Rubisco的敘述，錯誤的是(　　)
A．Rubisco在葉綠體基質中參與酶促反應，底物是CO2和C5
B．CO2激活Rubisco后即可發生暗反應，促進光合產物的生成
C．Rubisco的活性雖然遠低于其他酶，但它依然具有高效性
D．光合作用正常進行時，抑制該酶的活性會導致C3含量減少
3．在適宜反應條件下，用白光照射離體的新鮮葉綠體一段時間后，突然改用光照強度與白光相同的紅光或綠光照射。下列是光源與瞬間發生變化的物質，組合正確的是(　　)
A．紅光，ATP下降 B．紅光，未被還原的C3上升
C．綠光，NADPH下降 D．綠光，C5上升
4．如果某植物正常進行光合作用時，其葉綠體中NADPH的含量相對穩定，現如圖在a點時突然停止供給CO2，則能表示該植物葉綠體中NADPH含量變化的曲線是(　　)
5.如圖是生活在適宜環境中的某植物光合作用部分過程圖解，其中A、B、C、D表示四種化合物，a、b表示兩個生理過程，相關敘述錯誤的是(　　)
A．該過程發生的場所為葉綠體基質 B．C物質可以作為b過程的還原劑
C．在無光條件下有利于此過程的進行 D．突然增強光照，葉肉細胞內B物質將減少
6．(2020·山西高一模擬)光合作用過程是許多科學家通過系列研究逐步揭示的。請回答問題：
(1)葉綠體是植物光合作用的場所，人們在電鏡下觀察葉綠體，可以發現葉綠體由雙層膜包被，內部有許多圓餅狀的囊狀結構堆疊而成的________，吸收光能的________就分布在類囊體的薄膜上。
(2)氧氣能與肌紅蛋白可逆結合，并且非常靈敏，可用于定量測定微量氧。科學家打碎植物細胞，在葉片勻漿—肌紅蛋白系統(含離體葉綠體)中加入Fe3＋或其他氧化劑，然后照光，觀察到了氧合肌紅蛋白的光譜變化，說明光照下產生了________。上述系統中有H2O，但沒有CO2，推測水的光解與CO2消耗的過程可能相對獨立。
(3)科學家進一步用離體葉綠體進行實驗，實驗組用CO2固定抑制劑處理，對照組不做處理，測定得到下圖所示結果。
①據實驗結果可知，實驗組雖然________量幾乎被完全抑制，但氧氣產生量______________________________，由此可判斷_____________________________________。
②ATP合成量雖然沒有被完全抑制，但也顯著降低，表明ATP合成過程并不與________過程同時進行。后續研究表明，這兩個過程均發生在________階段，兩者存在一定關聯。
7．閱讀下列材料，回答問題：
材料　在美國黃石公園的細菌墊以及澳大利亞的海灘巖等陰暗環境中，存在著一種藍細菌。最新研究發現，這些細菌的特別之處在于，它們在光合作用過程中可使用“近紅外光”，而不僅是我們使用的發生在大多數生物中的“可見紅光”。光合系統能將太陽能轉換成為化學能，從而為生命提供動力。在已知的所有植物、藻類、藍細菌中都存在葉綠素a，幾乎所有的有氧光合作用中，都需要依賴葉綠素a來收集可見光、再將可見光轉化為化學物質和氧氣。
然而，當一些藍細菌在近紅外光環境下生長時，含有葉綠素a的標準系統就會失效，而被含另一種葉綠素——葉綠素f的系統接管。在新的研究中，科學家發現，葉綠素f能吸收波長大于760 nm的光，是已知能吸收最大波長的光的葉綠素。
當處于蔭蔽或者光線較暗的條件下時，葉綠素f就會在光合作用過程中起著關鍵性的作用，它能利用能量很低的近紅外光來進行復雜的化學反應。
(1)下圖為光合作用基本過程示意圖，請結合圖解回答下列問題：
①代表的生理階段是________，②代表的細胞結構是________，③代表的物質是________；①為暗反應階段提供了______________，暗反應中CO2的作用是________________。
(2)將你學過的光合作用知識并結合本文進行比較，將不同之處填入下表。
項目 葉綠素種類 葉綠素分布 吸收光的種類
黑藻 ①________ 葉綠體類囊體薄膜 ②__________
藍細菌 ③________ 細胞膜 ④__________
(3)下列不屬于本項研究重要發現的是________。
A．存在一種新的葉綠素——葉綠素f B．具有葉綠素f的生物中無其他葉綠素
C．葉綠素f具有吸收近紅外光的作用 D．葉綠素f在光合作用中起輔助作用
(4)請結合本文，從生物進化角度，闡述葉綠素a和葉綠素f出現的可能順序____________
______________________________________________________________________________。
二、光合作用的原理和應用
『知識目標 夯實基礎』
1．葉綠體 光能 2．CO2＋H2O(CH2O)＋O2
3．O2 C 毒害 氧氣 水 ATP 水的光解
4．(1)有光 類囊體薄膜 氧和H＋ H＋與NADP＋ ATP ATP和NADPH
(2)有沒有光 葉綠體基質 有機物中穩定的化合能
(3) NADPH和ATP ADP和Pi、NADP＋
『知識目標 易錯辨析』答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×
『思維目標 強化素養』
1． (1)①提示　不能，僅說明了離體葉綠體在適當條件下可以發生水的光解，產生氧氣。沒有排除葉綠體中其他物質的干擾，也沒有觀察到氧元素的轉移。
②提示　能說明，希爾反應是將離體葉綠體置于懸浮液中完成的，懸浮液中有水，沒有合成糖的另一種必需原料——CO2，因此該實驗說明水的光解并非必須與糖的合成相關聯，暗示著水的光解與糖的合成不是同一個化學反應。
(2)提示　光合作用釋放的氧氣中的氧全部來源于水，并不來源于CO2。
(3)反應時間 同位素示蹤
2．光合作用過程分析
條件 光照由強到弱，CO2供應不變 光照由弱到強，CO2供應不變 CO2供應由充足到不足，光照不變 CO2供應由不足到充足，光照不變
C3含量 增加 減少 減少 增加
C5含量 減少 增加 增加 減少
NADPH和ATP的含量 減少 增加 增加 減少
(CH2O)的合成量 減少 增加 減少 增加
【梳理網絡】
1．合成有機物，儲存能量 分解有機物，釋放能量 2．類囊體薄膜 O2、NADPH和ATP
3．葉綠體基質 糖類等有機物 4．14C3 (14CH2O) 18O2 5．ATP和NADPH 有機物
『能力目標 隨堂演練』
1．B 2．D 3．C 4．B 5．D 6．A 7．C 8．A 9．C 10．B
11．B 12．D 13．B 14．B
15．(1)色素　黃綠　(2)氧氣　ATP和NADPH中的能量　(3)C3　②NADPH、③ATP　
(4)光能→ATP和NADPH中活躍的化學能→有機物中穩定的化學能　(5)減少　當突然停止光照時，C5的消耗速率不變，合成速率卻減慢，導致C5含量減少
『能力目標 課外作業』
1．D 2．B 3．C 4．B 5.C 6． (1)基粒　光合色素　(2)氧氣　
(3)①CO2固定　與對照組無顯著差異　水的光解與CO2固定過程相對獨立　
②水的光解　光反應
7．(1)光反應　葉綠體基質　O2　ATP、NADPH　與C5結合形成C3　
(2)葉綠素a、葉綠素b　紅光、藍紫光　葉綠素a、葉綠素f　紅外光、紅光、藍紫光　
(3)B　
(4)當處于蔭蔽或者光線較暗的條件下時，葉綠素f就會在光合作用過程中起著關鍵性的作用。所以在地球形成之初，葉綠素f可能先出現。慢慢隨著大氣的散開，光照條件轉好，生物體為更好地吸收光能，葉綠素a才可能出現

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