高中生物人教版（2019）必修一学案： 5.4光合作用与能量转化

5.4 光合作用与能量转化
学习目标
说出绿叶中色素的种类合作用。
说出叶绿体的结构和功能。
说出光合作用的过程以及对光合作用的认识
尝试探究影响光合作用强度的环境因素
说出光合作用原理的应用
简述化能合成作用。
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物途径。因此，有人称光合作用是“地球上最重要的化学反应”
一、捕获光能的色素和结构
基础梳理
捕获光能的色素
（1）探究·实践 绿叶中色素的提取和分离
绿叶中的色素能够溶解在有机溶液 中，所以，可以用其提取绿叶中的色素。由于色素存在于细胞内，需要先破碎细胞才能释放出色素。绿叶中的色素不只有一种，它们都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤紙上扩散得快，反之则慢。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。
目的提求
①进行绿叶中色素的提取和分离。 ②探究绿叶中含有几种色素。
材料用具
新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）。
干燥的定性滤纸，试管，棉塞，试管架，研钵，玻璃漏斗，尼龙布，毛细吸管， 剪刀，药匙，量简（），天平等。 无水乙醇（也可用 的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替），层析液 （由20份在℃下分馏出来的石油醚、 2份丙酮和1份苯混合而成），二气化硅和碳酸钙。
方法步骤
1）提取绿叶中的色素
【1】称取绿叶，剪去主叶脉，剪碎，放入研钵中。
【2】向研体中放入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入无水乙醇，迅速、充分地进行研磨（二氧化硅有助于 ，碳酸钙可防止 ）。
【3】将研磨液迅速倒入玻璃漏斗（漏斗基部放一块单层尼龙布）进行过滤。将滤液收集到试管中，及时用棉塞将试管口塞严。
2）制备滤纸条
将干燥的定性滤纸剪成宽度略小于试管直径、长度略小于试管长度的滤纸条，再
将滤纸条一端 ，并在距这一端底部处用铅笔画一条细的横线。
3）画滤液细线
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地面出一条细线（也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横线处按压出均匀的细线）。待滤液干后，再重画一到两次。
4）分离绿叶中的色素将适量的层析液倒入试管中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。注意：不能让滤液细线触及层析液，否则滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。
5）观察与记录
观察试管内滤纸条上出现了几条色素带，以及每条色素点的颜色和宽窄。将观察结果记录下来
（2）绿叶中的色素有4中，他们可以归为两大类：
叶绿素 叶绿素a（ ）
（含量约占 ） 叶绿素b（ ）
绿叶中的色素
类胡萝卜素 （橙黄色）
（含量约占 ） （黄色）
科学家做过这样的实验：在色素溶液与阳光之间，放置一块三棱镜。阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。分别让不同颜色的光照射色素溶液，就可以得到色素溶液的吸收光谱。
实验结果表明：叶绿素a和叶绿素b主要吸收 和 ，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。这4种色素吸收的光波长有差别，但是都可以用于光合作用。
（3）一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光。
叶绿体的结构适于进行光合作用
如果把水稻、苹果等被子植物的叶肉细胞放在光学显微镜下观察，可以看到叶绿体一般呈扁平的 。不过，叶绿体内更精细的结构，就必须用电子显微镜观察才能看清楚。
观察电子显微镜下的叶绿体结构，可以看到，叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为 。吸收光能的4种色素就分布在
上。基粒与基粒之间充满了基质。
每个基粒都含有两个以上的类囊体，多的可达100个以上。叶绿体内有如此众多的基粒和类囊体，极大地扩展了受光面积。据计算，菠菜叶片中的类囊体的总面积竞有左右。
恩格尔曼的实验直接证明了 。结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。
在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
易错提示
（1）叶绿素和类胡萝卜素对绿光不是不吸收，只是吸收量较少；但是类胡萝卜素对红光是不吸收的。
（2）植物细胞的液泡中含有的色素不能进行光合作用。
（3）叶绿体存在于植物绿色部分的细胞种，如叶肉细胞；非绿色部位的细胞没有叶绿体。
二、光合作用的原理和应用
基础梳理
我们知道，光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。这一过程可以用下面的化学反应式来概括，其中表示糖类。
·
光合作用的原理
光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。实际上，光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应。根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应（现在也称为碳反应）两个阶段。
（1）光反应阶段
光反应阶段光合作用第一个阶段的化学反应，必须 才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在 上进行的。
叶绿体中光合色素吸收的光能，有以下两方面用途。一是将水分解为
和 ，氧直接以氧分子的形式释放出去，与氧化型辅酶Ⅱ（）结合，形成还原型辅酶Ⅱ（）。作为活泼的还原剂，参与暗反应阶段的化学反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用；二是在有关酶的催化作用下，提供能量促使与反应形成。这样，光能就转化为储存在中的化学能。这些将参与第二个阶段合成有机物的化学反应。
（2）暗反应阶段
暗反应阶段光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应是在 中进行的。在这一阶段， 被利用，经过一系列的反应后生成 。
是如何转变成糖类的呢 20世纪40年代，美国科学家卡尔文（M.Calvin，）等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过标记的，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性的去向，最终探明了中的碳是如何转化为有机物中的碳的。
绿叶通过 从外界吸收的，在特定酶的作用下，与 （一种五碳化合物）结合，这个过程称作的固定。一分子的被固定后，很快形成两个 分子。在有关酶的催化作用下，接受 和 释放的能量，并且被还原。随后，一些接受能量并被还原的，在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的，经过一系列变化，又形成。这些又可以参与的固定。这样，暗反应阶段就形成从到再到的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过程也称作卡尔文循环。
简而言之，在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体膜上的色素捕获后，将水分解为和等，形成和，从而使光能转化成中的化学能；和驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将转化为储存化学能的糖类。可见光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分。光合作用产生的有机物，不仅供植物体自身利用，还养活了包括你我在内的所有异养生物。光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。
（3）光合作用的产物有一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管，再通
过韧皮部运输到植株各处。
光合作用的应用
光合作用的强度（简单地说，就是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量），直接关系农作物的产量，研究影响光合作用强度的环境因素很有现实意义。
根据光合作用的反应式可以知道，光合作用的原料—— ，动力—— ，都是影响光合作用强度的因素。因此，只要影响到原料、能量的供应，都可能是影响光合作用强度的因素。例如，环境中浓度，叶片气孔开闭情况，都会因影响的供应量而影响光合作用的进行。叶绿体是光合作用的场所，影响叶绿体的形成和结构的因素，如无机营养、病虫害，也会影响光合作用强度。此外，光合作用需要众多的酶参与，因此影响酶活性的因素（如温度），也是影响因子。
易错提示
（1）叶绿素吸收光能不需要酶的参与。
（2）光反应产生的只能用于暗反应，不能用于细胞中其他部位的生命活动，其他部位的生命活动所需来自细胞呼吸，因此，植物的来源有两个途径：细胞呼吸和光反应。
（3）暗反应不直接需要光照，但是如果没有光照，光反应停止后，暗反应很快会停止。
（4）还原为糖的一系列反应是由卡尔文发现的，因此，暗反应又叫卡尔文循环。
（5）的还原中，大部分经过一系列复杂的变化，重新生成了，以保证的固定能持续进行，少部分被合成了。
（6）硝化细菌：属于需氧、自养细菌，为原核生物。
（7）常见的化能自养生物有硝化细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌等。
随堂训练
1．某同学在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，为了确定无水乙醇、CaCO3和SiO2的作用，进行了4组实验来验证，四组实验结果如图所示，第④组是进行了正确操作的对照组。下列针对实验结果的相关分析不正确的是 （ ）
A.①可能是由于未加CaCO3而得到的实验结果
B.②可能是由于用水取代了无水乙醇而得到的实验结果
C.③可能是由于未加SiO2而得到的实验结果
D.绿叶中的色素都能够溶解在层析液中，四种色素的溶解度相同
2．如下图所示，有甲、乙、丙、丁4盆长势均匀的植物置于阳光下，甲添加品红色光；乙添加绿色光；丙添加品红色滤光片A；丁添加绿色滤光片B。经过一段时间，各盆中长势最旺的和长势最差的依次是 （ ）
A．甲和乙 B．乙和丙 C．甲和丁 D．丙和丁
3．下图分别是萨克斯、鲁宾卡门、恩格尔曼所做的关于光合作用的三个经典实验。下列相关叙述中，正确的是 （ ）
A.图1中A与C部分对照说明光合作用需要光
B.图2所示实验运用的实验方法是荧光标记法
C.图3所示实验中，好氧细菌分布于光束照射的部位
D.若探究光反应的过程，需要对H2O和CO2，进行标记并追踪其去向
4．利用如图所示的实验装置进行与光合作用有关的实验，下列叙述正确的是 （ ）
A.试管中收集的气体量代表了光合作用产生的氧气量
B.在光下如果有气泡产生，可说明光合作用产生了氧气
C.若实验装置处于黑暗处，装置中一定没有气泡产生
D.该装置可以用来探究CO2浓度对光合作用速率的影响
5．光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段。下列有关叙述正确的是 （ ）
A.光反应消耗NADPH，暗反应产生NADPH
B.光反应消耗H2O，暗反应消耗ATP
C.光反应固定CO2，暗反应还原CO2
D.光反应储存能量，暗反应释放能量
6．如图为高等绿色植物光合作用图解。相关说法不正确的是 （ ）
A.②是氧气，可参与有氧呼吸的第三阶段
B.光合作用可分为两个阶段，光反应和暗反应阶段
C.三碳化合物在[H]、ATP和酶的作用下，被还原形成(CH2O)
D.④是ATP，在叶绿体基质中生成
7．用一定浓度的NaHSO3溶液喷洒到小麦的叶片上，短期内检测到叶绿体中C3的含量下降，C5的含量上升。NaHSO3溶液的作用可能是 （ ）
A.促进叶绿体中CO2的固定
B.促进叶绿体中ATP的合成
C.抑制叶绿体中[H]的形成
D.抑制叶绿体中有机物的输出
8．甲、乙、丙三图分别表示探究几种环境因素对马铃薯光合作用速率影响的实验结果。下列分析中正确的是 （ ）
A.甲图所示实验主要研究光照强度和温度对马铃薯光合作用速率的影响
B.甲图P点时，限制马铃薯光合作用速率的因素为光照强度和温度
C.乙图Q点时高CO2浓度条件下，可通过进一步增加光照强度来提高马铃薯光合作用速率
D.丙图Q点之后三条曲线的走势为保持平稳
9．科学家研究CO2浓度、光照强度和温度对同一植物光合作用强度的影响，得到实验结果如下图。请据图判断下列叙述不正确的是 （ ）
A.光照强度为a时，造成曲线Ⅱ和Ⅲ光合作用强度差异的原因是CO2浓度不同
B.光照强度为b时，造成曲线Ⅰ和Ⅱ光合作用强度差异的原因是温度不同
C.光照强度为a～b，曲线Ⅰ、Ⅱ光合作用强度随光照强度升高而升高
D.光照强度为b～c，曲线Ⅱ、Ⅲ光合作用强度随光照强度升高而升高
10．如图是夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。下列有关光合作用强度变化原因的分析中，错误的是 （ ）
A.从A→B主要原因是光照增强，气温上升
B.从B→C主要原因是温度过高，酶失活
C.从C→D主要原因是气孔打开，CO2供应增加
D.从D→E主要原因是光照减弱，气温下降
11．下列关于硝化细菌的叙述，错误的是 （ ）
A.将二氧化碳和水合成糖类化合物所需能量为光能
B.将二氧化碳和水合成糖类化合物所需能量为化学能
C.硝化细菌细胞中含有将二氧化碳和水合成有机物的一系列酶
D.硝化细菌和绿色植物一样都是自养型生物
12．下图示光合作用过程，A—I代表各种物质（如E为ADP和Pi），据图回答：
（1）光合作用包括 和 两个阶段，这两阶段的场所依次是 、 。
（2）D 是由光合色素吸收光能后合成的。
（3）暗反应中H 先与G 结合生成F（C3）然后部分F在D供能和多种酶催化下，被C 还原成I ，另一部分F经复杂变化再生成G，从而使暗反应持续循环发生下去。
答案解析
一、捕获光能的色素和结构
基础梳理
（1）无水乙醇 体积分数为
1）【2】研磨得充分 研磨中色素被破坏
2）剪去两角
（2）
叶绿素 叶绿素a（蓝绿色）
（含量约占3/4） 叶绿素b（黄绿色）
绿叶中的色素
类胡萝卜素 胡萝卜素（橙黄色）
（含量约占1/4） 叶黄素（黄色）
蓝紫光 红光
椭球形或球形 双层膜 类囊体 类囊体的薄膜
叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
二、光合作用的原理和应用
基础梳理
（1）有光 类囊体的薄膜 氧
（2）叶绿体的基质 糖类 气孔
水、 光能
随堂训练
1．D 【解析】①组实验结果不理想的原因有可能是未加CaCO3而使叶绿素被破坏，A正确；色素能溶解在无水乙醇中，而不能溶于水，所以用水取代无水乙醇不能分离出色素带，B正确；③中色素带较窄，分离出的色素少，可能是未加SiO2而使得研磨不充分，C正确；绿叶中的色素都能够溶解在层析液中，但是四种色素的溶解度不同，D错误。
2．C 【解析】甲组在阳光照射的条件下，甲添加的是红色光，比单独在阳光下的光合作用有所增强，所以长势最旺；乙组添加的是绿色光，对植物的光合作用来说属于无效光，对光合作用几乎没有影响；丙组添加了红色滤光片，这种滤光片只能让红色光通过，其余的光很少或不能通过，光合作用相对较弱；丁组添加的是绿色滤光片，这种滤光片只能让绿色光通过，而叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，所以丁植物几乎不进行光合作用，因而长势最差，C正确。
3．C 【解析】图1中B与C部分对照说明光合作用需要光，A错误；图2所示实验运用的实验方法是同位素标记法，B错误；图3所示实验中，光束照射的部位通过光合作用产生了氧气，所以好氧细菌分布于光束照射的部位，C正确；光反应过程H2O光解产生O2，因此若探究光反应的过程，需要对H2O进行标记并追踪其去向，D错误。
4．D 【解析】试管中收集到的气体总量小于光合作用产生的氧气总量，A错误；如果光照强度在光补偿点以下，则释放出的是CO2，B错误；若实验装置处于黑暗处，金鱼藻进行呼吸作用可释放出CO2，C错误；用不同浓度的NaHCO3溶液进行实验，可以探究CO2浓度对光合作用速率的影响，D正确。
5．B 【解析】水的光解产生H+，H+与NADP+结合形成NADPH，暗反应C3的还原需要消耗NADPH，A错误；光反应水的光解消耗水，暗反应的还原需要消耗ATP，B正确；CO2的固定和C3还原都发生在暗反应阶段，C错误；光反应将光能转变成ATP中活跃的化学能，暗反应将ATP中活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能，D错误。
6．D 【解析】②是水光解的产物之一氧气，可参与有氧呼吸的第三阶段，A正确；光合作用可分为光反应和暗反应阶段，B正确；三碳化合物在光反应产生的[H]、ATP和叶绿体基质中酶的作用下，被还原形成(CH2O)，C正确；④是ATP，在类囊体薄膜上生成，D错误。
7．B 【解析】C3含量下降，C5含量上升，有可能是气孔开度减小，细胞间CO2浓度降低导致的；也有可能是光反应产生的[H]和ATP增多，C3还原过程加速导致的，B正确。
8．A 【解析】本题关键是理解曲线的含义。甲图所示实验主要研究温度和光照强度对马铃薯光合作用速率的影响，A项正确；甲图中P点限制光合作用的因素是光照强度，B项错误；乙图中，Q点光照强度已不是光合速率的限制因素，C错误；丙图Q点之后随温度升高，三条曲线的走势应是逐渐下降，D错误。
9．D 【解析】图中三条曲线都可表示不同条件下光照强度对光合作用强度的影响，Ⅰ和Ⅱ两条曲线的差异是温度、而Ⅱ和Ⅲ两条曲线的差异是CO2浓度造成的，A、B正确；从图中可以看出光照强度为a～b，曲线Ⅰ、Ⅱ光合作用强度随光照强度升高而升高，而光照强度为b～c，曲线Ⅲ光合作用强度并没有随光照强度升高而升高，而已经达到饱和。
10．B 【解析】从A→B主要原因是光照增强，气温上升，光合作用强度增强；A正确。从B→C主要原因是温度过高，蒸腾作用强，气孔关闭，二氧化碳减少，使光合作用减弱；B错误；从C→D主要原因是气孔打开，CO2供应增加，光合作用强度增强，C正确；从D→E主要原因是光照减弱，气温下降，光合作用强度减弱，D正确。
11．A 【解析】硝化细菌能将土壤中的氨氧化成亚硝酸，进而将亚硝酸氧化成硝酸，硝化细菌能够利用这两个化学反应中释放出的化学能，将二氧化碳和水合成为糖类，糖类可供硝化细菌维持自身的生命活动，所以硝化细菌也属于自养生物，A错误，B正确，D正确；硝化细菌能够将二氧化碳和水合成为糖类，所以硝化细菌细胞中含有将二氧化碳和水合成有机物的一系列酶，C正确。
12．（1）光反应 暗反应 类囊体薄膜 叶绿体基质
（2）ATP
（3）CO2 C5 [H] （CH2O）
【解析】（1）图中左侧表示光反应，是在类囊体薄膜上进行的，右侧表示暗反应，是在叶绿体基质中进行的；
（2）在光反应阶段，水光解产生[H]与氧气，同时形成ATP，故D（ATP）是由光合色素吸收光能后合成的；
（3）暗反应包括二氧化碳的固定与三碳化合物的还原两个阶段，图中H（CO2）与G（C5）结合生成F（C3），然后部分F在D供能和多种酶催化下，被C还原成I，另一部分F经复杂变化再生成G，从而使暗反应持续循环发生下去。
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