資源簡介

5.4 光合作用與能量轉化學案
【預習新知】
捕獲光能的色素
一、 是唯一能夠捕獲和轉化光能的生物學途徑。
二、綠葉中色素的提取和分離
1.綠葉中色素的提取
（1）原理：綠葉中的色素能溶解在有機溶劑 中。
（2）試劑的作用
① ：溶解并提取色素。
② ：有助于研磨充分，釋放葉綠體中的色素。
③ ：可以防止色素被破壞。
（3）實驗步驟
2.綠葉中色素的分離
（1）原理：不同色素在層析液中的 不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散得快，反之則慢。
（2）實驗步驟
三、綠葉中的色素種類與光能吸收
色素種類 葉綠素(3/4) 類胡蘿卜(1/4)
葉綠素b 葉黃素
顏色 黃綠色 黃色
光能吸收 主要吸收藍紫光和紅光 主要吸收藍紫光
分布 葉綠體的類囊體的 上
葉綠體的結構適于進行光合作用
1．葉綠體
(1)葉綠體的結構
②色素及酶的分布
(2)分布：主要分布在植物的葉肉細胞內。
(3)功能：葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所。
2．葉綠體功能的實驗驗證
(1)實驗者：德國科學家恩格爾曼。
(2)實驗過程及現象
資料1：
②緊接著又做了一個實驗：他用透過三棱鏡的光照射水綿臨時裝片，發現大量的需氧細菌聚在紅光和藍紫光區域。
(3)實驗結論
①葉綠體能吸收光能用于光合作用放氧。
②葉綠體主要吸收紅光和藍紫光。
(4)實驗設計的巧妙之處
①實驗材料用水綿和好氧細菌，水綿的葉綠體呈螺旋帶狀分布，便于觀察，用好氧細菌可確定釋放氧氣的部位。
②沒有空氣的黑暗環境排除了氧氣和光的干擾。
③用極細的光束照射，葉綠體上可分為有光照和無光照的部位，相當于一組對比試驗。
④臨時裝片局部曝光與完全暴露在光下的實驗再一次驗證實驗結果。
資料2：
在葉綠體的類囊體和基質中，含有多種進行光合作用的酶。
該資料說明光合作用的有關生化反應在葉綠體中進行。
3．總結
在葉綠體內部巨大的膜表面上，分布著許多吸收光能的色素分子，在類囊體膜上和葉綠體基質中，還有許多進行光合作用所必需的酶。色素和酶是葉綠體捕獲光能、進行光合作用的結構基礎。
光合作用的原理
1.概念
光合作用是指綠色植物通過 ，利用 ，將 和 轉化成儲存著能量的 ，并且釋放出 的過程。
2.反應式：
3.探索光合作用原理的部分實驗
時間及科學家 觀點或實驗過程 發現或實驗結論 實驗特點
19世紀末到1928年 在光合作用中，CO2中的C和O被分開，O2被釋放，C和H2O結合成甲醛，甲醛分子縮合成糖 甲醛對植物有毒害作用，甲醛 通過光合作用轉化成糖
1937年希爾 (英國) 離體葉綠體的懸浮液＋鐵鹽或其他氧化劑O2 離體葉綠體在適當條件下發生 的光解，產生 懸浮液中有H2O，無CO2
1941年魯賓、卡門(美國) 向植物提供 光合作用釋放的O2來自 相互對照。 自變量：標記物； 因變量：
1954年、1957年阿爾農(美國) 光照下，葉綠體可合成 ，這一過程總與水的光解相伴隨
20世紀40年 代 (美國) 用經過14C標記的14CO2，供小球藻進行光合作用，然后追蹤放射性14C的去向 探明了CO2中的碳在光合作用中轉化成 中碳的途徑 利用 法
4.光合作用的過程
(1)Ⅰ是 階段
①場所：在 上進行。
②條件：必須有 、葉綠體中的 和酶。
③過程
a.水的光解：2H2O4 ＋ ；
b.ATP的生成：ADP＋Pi 。
④能量轉變：光能一部分轉變為 中活躍的化學能；一部分儲存在 中。
(2) Ⅱ是 階段
①場所：在 中進行。
②條件：有光無光均可，需要多種 參與。
③過程
a.CO2的固定：CO2＋ ；
b.C3的還原： ＋NADPH ＋C5。
④能量轉變： 中活躍的化學能和 中部分能量→ 中穩定的化學能。
(3)圖中 ① ；② ；③ ；④ ；⑤ ；⑥ ；⑦ 。
(4)光反應與暗反應的聯系
①光反應為暗反應提供 、 ；暗反應為光反應提供 、 、 。
②沒有光反應，暗反應無法進行；沒有暗反應，有機物無法合成。總之，光反應是暗反應所需物質和能量的準備階段，暗反應是光反應的繼續，是物質和能量轉化的完成階段。
(5)總反應式
a.產物為(CH2O)：
b.產物為C6H12O6：
(6)元素的轉移途徑
①H：3H2O 。
②C：14CO2 。
③O：H218O ；C18O2 。
（一）光合作用原理的應用
1．光合作用的強度
(1)概念：植物在單位時間內通過光合作用制造糖類的數量。
(2)表示方法
單位時間內光合作用
(3)影響光合作用的因素
2．探究光照強度對光合作用強度的影響
3．在生產實踐中的應用
實例 原理
間作套種 不同植物對光照的需求不同
冬季大棚溫度白天適當提高，晚上適當降低 白天提高溫度，促進光合作用；夜間降溫，抑制呼吸作用
“正其行、通其風” 增大CO2濃度，有利于光合作用的進行
合理灌溉 缺少水導致氣孔關閉，CO2供應不足
4．化能合成作用
(1)概念：利用體外環境中的某些無機物氧化時所釋放的能量來制造有機物。
(2)實例：硝化細菌能利用土壤中的氨(NH3)氧化成亞硝酸(HNO2)，進而氧化成硝酸(HNO3)的過程中所釋放的化學能將CO2和H2O合成糖類，供自身利用。
【鞏固訓練】
1.下列關于“提取和分離葉綠體色素”實驗敘述合理的是( )
A.用有機溶劑提取色素時，加入碳酸鈣是為了防止類胡蘿卜素被破壞
B.畫濾液細線時需要間隔畫2-3次，從而累積更多的色素，使實驗現象更加明顯
C.紙層析分離色素時，色素的遷移速度與其在無水乙醇中的溶解度呈正相關
D.用紅色莧菜葉進行實驗可得到5條色素帶，花青素（水溶性色素）位于葉綠素a、b之間
2.下列對“綠葉中色素的提取和分離”實驗描述錯誤的是( )
A.研磨葉片時加二氧化硅的目的是使研磨更加充分
B.隨層析液在濾紙條上擴散速度最快的色素是胡蘿卜素
C.最寬的一條色素帶中的色素主要吸收藍紫光
D.實驗應在通風條件下進行，實驗結束后用肥皂將手洗干凈
3.研究人員從菠菜中分離類囊體，將其與16種酶等物質一起用單層脂質分子包裹成油包水液滴，從而構建半人工光合作用反應體系。該反應體系在光照條件下可實現連續的CO2固定與還原，并不斷產生有機物乙醇酸。下列分析正確的是( )
A.產生乙醇酸的場所相當于葉綠體基質
B.該反應體系不斷消耗的物質僅是CO2
C.類囊體產生的ATP和O2參與CO2固定與還原
D.與葉綠體相比，該反應體系不含光合色素
4.下列有關葉綠體的說法正確的是( )
A.葉綠體增大膜面積的方式與線粒體相同
B.葉綠體中的色素都分布在類囊體薄膜上,酶都分布在基質中
C.葉綠體產生的O2除供自身利用外,還可被線粒體利用
D.線粒體產生的CO2被葉綠體利用至少需穿過4層磷脂雙分子層
5.2004年，我國科學家在《自然》雜志上，以封面文章發表了《菠菜主要捕光復合物2.72λ分辨率的晶體結構》。該捕光復合物主要分布于( )
A.葉綠體基質 B.葉綠體基粒 C.葉綠體內膜 D.葉綠體外膜
6.某研究小組分別對植物甲、乙進行光合作用強度的測定，實驗結果得到曲線如圖所示。下列敘述正確的是( )
A.光照強度為0時，植物甲產生ATP的場所只有線粒體
B.光照強度為M時，植物甲和植物乙的真正光合速率相等
C.光照強度為500lx時，限制植物甲乙光合作用的因素可能是溫度
D.光照強度為1000lx時，可考慮通過提高CO2濃度提高植物乙的光合速率
7.將植物栽培在適宜的光照、溫度和CO2充足的條件下,如果將環境中CO2的含量突然降至極低水平,此時葉肉細胞內的C3、C5和ATP含量的變化情況依次是( )
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.農業生產中常進行水稻和油菜輪作，使得3、4月份桂林市區周邊的油菜花很多。其不僅作為應季旅游資源的重要補充，也有效地利用土地資源，提高農作物的產量和品質。下列相關敘述錯誤的是( )
A.合理輪作通過增加作物密度來提高產量
B.中耕松土能增加根系的氧氣供應，促進根細胞呼吸
C.合理的“正行”種植，有利于通風和充足的光照，促進光合作用
D.油菜花作為旅游資源體現了生物多樣性的直接價值
9.科學家在厭氧型光合細菌中發現了一種利用菌綠素的原始光合作用機制，其基本原理如圖所示。該細菌的光合作用與高等植物相比，下列敘述錯誤的是( )
A. ATP的合成同樣依賴色素分子吸收光能
B. 菌綠素和葉綠素同樣位于類囊體薄膜
C. （CH2O）的合成都需要ATP和NADPH的參與
D. 該細菌不釋放O2是因為NADPH的H來自H2S
10.在農業生產和科學研究過程中，經常需要根據生物學原理采取某些措施使植物生長滿足人們的需求，下列敘述正確的是( )
A. 在大棚里增施CO2為了促進有氧呼吸
B. 去除頂芽是為了促進果實的成熟
C. 人工授粉是為了保留全部親本性狀
D. 人工補光是為了提高植物有機物的積累
參考答案
1.答案：B
解析：A、用有機溶劑提取色素時，加入碳酸鈣是為了防止葉綠素分子被破壞，A錯誤;B、若連續多次重復畫濾液細線可累積更多的色素，但也會使濾液細線變粗，易出現色素帶重疊，B正確;C、在該實驗中可以根據色素帶的寬度來定性描述色素的含量，但并不能準確的測定色素的含量，C錯誤;D、花青素為水溶色素不溶于無水乙醇，用紅色莧菜葉進行實驗不可以得到5條色素帶，D錯誤。
2.答案：C
解析：A、研磨葉片時加二氧化硅的目的是使研磨得充分，A正確；
B、胡蘿卜素在層析液中溶解度最大，隨層析液在濾紙條上擴散速度最快，B正確；
C、最寬的一條色素帶是葉綠素a，主要吸收藍紫光和紅光，C錯誤；
D、由于層析液中含有對人體有毒的物質，因此，實驗應在通風條件下進行，且實驗結束后用肥皂將手洗干凈，D正確。
故選C。
3.答案：A
解析：題干信息“該反應體系在光照條件下可實現連續的CO2固定與還原，并不斷產生有機物乙醇酸”說明，乙醇酸是在暗反應中合成的，合成場所相當于葉綠體基質，A正確；
該反應體系既能在類囊體上進行光反應，又能利用16種酶等物質進行暗反應，因此該反應體系不斷消耗的物質有CO2、H2O等，B錯誤；
類囊體上進行的光反應為暗反應中C3的還原提供了NADPH和ATP，光反應產生的O2不參與暗反應，C錯誤；
該反應體系中有類囊體，在光照條件下還可實現連續的CO2固定與還原，說明該反應體系中有吸收、傳遞和轉化光能的光合作用色素，D錯誤。
4.答案：D
解析：葉綠體內的類囊體堆疊形成基粒，擴大了細胞內的膜面積，這與線粒體不同。葉綠體中的色素都分布在類囊體薄膜上;酶在類囊體薄膜和葉綠體基質中都有分布。光合作用不消耗氧氣，葉綠體產生的O2可被有氧呼吸第三階段利用，剩余的O2釋放到周圍環境中。線粒體產生的CO2被同一細胞的葉綠體利用時需穿過2層線粒體膜和2層葉綠體膜共4層磷脂雙分子層。
5.答案：B
解析：A、葉綠體基質是暗反應的場所，分布著許多與暗反應有關的酶，A錯誤;
B、葉綠體類囊體是光反應的場所，分布著許多與光合作用光反應有關的色素和酶，光合色素的作用是吸收、傳遞、轉化光能，B正確;
CD、葉綠體內膜和外膜不是光合作用發生的場所，捕光復合物不會分布于此，CD錯誤。
6.答案：D
解析：A、光照強度為0時，植物甲只進行呼吸作用，產生ATP的場所有細胞質基質和線粒體，A錯誤;
B、光照強度為M時，植物甲和植物乙的凈光合速率相等，但由于二者呼吸強度不等，真正的光合速率不相等，B錯誤;
C、光照強度為500lx時，植物甲乙光合作用沒有達到最大值，限制的因素主要是橫坐標對應的光照強度，C錯誤;
D、光照強度為1000lx時，光照強度已經不是限制因素，限制因素可能是溫度、二氧化碳濃度等，可考慮通過提高CO2濃度提高植物乙的光合速率，D正確。
7.答案：C
解析：在其他條件都適宜的情況下,CO2含量突然降低會導致CO2的固定受阻,致使C3的來源減少。而C3的還原過程仍在進行(由于其他條件都適宜,有足夠的ATP和[H],導致C3不斷被還原而減少,C5不斷產生而增加。由于C3的來源不足,致使ATP的利用減少而含量上升。
8.答案：A
解析：A、合理輪作通過調整作物的種植順序，可充分利用全年的光照和土壤中各種營養成分來提高產量，A錯誤;
B、中耕松土能增加根系的氧氣供應，促進根細胞呼吸，有利于根細胞對礦質元素的吸收，B正確;
C、合理的正行種植，有利于通風，增加CO2濃度和提供充足的光照，促進光合作用，C正確;
D、生物多樣性具有直接價值、間接價值和潛在價值，油菜花作為旅游資源體現了生物多樣性的直接價值，D正確。
故選A。
9.答案：B
解析：A、高等植物光合作用過程中，ATP的合成依賴光合色素吸收光能，識圖分析可知，厭氧型光合細菌中ATP的合成同樣依賴色素分子（菌綠素）吸收光能，A正確;
B、菌綠素是厭氧型光合細菌中分布的色素，細菌屬于原核生物，沒有葉綠體，也沒用類囊體薄膜存在，高等植物的葉綠素位于類囊體薄膜上，B錯誤;
C、高等植物暗反應過程中C，還原需要ATP和NADPH的參與，生成（CH2O），圖中厭氧型光合細菌（CH2O）的合成也需要ATP和NADPH的參與，C正確;
D、識圖分析可知，圖中H2S轉變為的過程中合成了NADPH，因此該細菌不釋放O2是因為NADPH的H來自H2S,D正確。
故選B。
10.答案：D
解析：A、在大棚里增施CO2是為了促進光合作用，A錯誤;
B、去除頂芽是為了促進側芽的生長，B錯誤;
C、人工授粉是為了提高受精率，C錯誤;
D、人工補光是為了提高植物光合作用，從而提高植物有機物的積累，D正確。
故選D。

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