生物人教版(2019)必修1 5.4.2.1　光合作用的探究历程和过程 课件（共82张PPT）

(共82张PPT)
第5章 细胞的能量供应和利用
光合作用与能量转化
第4节　
二
光合作用的原理和应用
第1课时　光合作用的探究历程和过程
课标要点
通过对光合作用原理的部分实验的探索，阐明光合作用的原理并说明光合作用的过程。
学法指导
1．通过对光合作用过程的认识，建立起生物学的物质观和能量观(生命观念)。
2．建构光合作用的光反应和暗反应的过程模型，理解二者之间的关系，培养科学建模的能力(科学思维)。
研习1
光合作用探究历程中的实验分析
自主梳理
1．光合作用的概念
光合作用
场所：____________
反应物：________________
能量来源：____________
产物：_________________
实质：_________有机物，________能量
绿叶体
二氧化碳和水　
光能
有机物和氧气　
合成
储存
2．探究历程
科学家 实验过程 实验结论
1937年希尔 在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有水，没有二氧化碳) 离体叶绿体的悬浮液在光照下可以释放________
1941年鲁 宾和卡门 光合作用释放出的氧气全部来自________
氧气
水
20世纪40年 代卡尔文 用14C标记CO2，供小 球藻进行光合作用 探明了______中的碳在光合作用中转化为________中的碳的途径，即________
1954年阿尔农 — 在光照下叶绿体可合成________
1957年阿尔农 — 叶绿体合成ATP总是与____________相伴随
续表
水的光解
CO2
有机物
卡尔文循环
ATP
自我检测
在生命科学发展过程的经典实验中，未用到同位素标记法的是(　　)
A．萨克斯证明光合作用的产物中有淀粉
B．卡尔文发现的卡尔文循环
C．光合作用产物O2中氧原子的来源
D．分泌蛋白的合成与运输
A
解析：萨克斯利用天竺葵证明叶片在光下能产生淀粉是将植物叶片的一部分曝光、另一部分遮光，即“半叶法”，该实验没有用到同位素标记法，A符合题意。
合作讨论
1．萨克斯实验
(1) 实验过程
曝光处变深蓝色
遮光处无颜色变化
绿叶
暗处放置几小时
一半曝光
一半遮光
碘蒸气处理
(2) 实验分析
① 设置了自身对照，自变量为光照，因变量是叶片颜色的变化。
② 实验的关键是饥饿处理，使叶片中的营养物质消耗掉，避免对实验结果的干扰。
③ 本实验除了证明光合作用的产物是淀粉的同时，还证明了光照是光合作用的必要条件。
2．鲁宾和卡门的实验
(1) 实验过程及结论
H218O＋CO2→植物→18O2；H2O＋C18O2→植物→O2
光合作用释放的O2全部来自水。
(2) 实验分析
设置了对照实验，自变量是标记物质(H218O和C18O2)，因变量是O2的质量。
(3) 巧妙之处：两组实验相互对照直观地表现出氧气来自水中的氧，而不是来自二氧化碳中的氧。
3．卡尔文循环
(1) 探究方法——同位素标记法
用14C标记CO2，追踪检测放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
(2) 结论
碳的转化途径：14CO2＋C5→14C3→(14CH2O)。
归纳拓展
萨克斯和鲁宾、卡门实验对照方式的不同
萨克斯实验和鲁宾及卡门实验的对照设计方法是不相同的。萨克斯实验的对照方式为自身对照(一半曝光与另一半遮光)；而鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照(通过标记不同的物质：H218O与C18O2)。
问题探究
1．1937年，英国植物学家希尔发现，将叶绿体分离后置于试管中，假如在试管中加入适当的“氢受体”，如二氯酚吲哚酚(简称DCPIP)，那么照光后便会使水分解并放出氧气，这个反应被称为“希尔反应”。反应的过程如下：(注：DCPIP是一种可以接受氢的化合物，在氧化态时是蓝色，在还原态时是无色)
DCPIP(蓝色) ＋ H2O DCPIP—H2(无色) ＋ 1/2O2。
光
叶绿体
为验证光合作用所需的条件，现提供如下材料和用品：离体叶绿体、0.5 mol/L蔗糖溶液、浓度为1%DCPIP溶液、蒸馏水、量筒、锡箔纸、试管若干、离心机。请依据“希尔反应”涉及的实验原理，完成下面的实验设计并回答下列问题：
(1) 方法步骤：
第一步：离体叶绿体溶解于0.5 mol/L蔗糖溶液制备成叶绿体悬浮液；
第二步：(填表)
项目 加入试剂 处理方法
试管1 1% DCPIP 0.5 mL和叶绿体悬浮液5 mL 光照
试管2 ________________ ________
试管3 ________________ ________
1%DCPIP 0.5 mL和叶绿体悬浮液5 mL
1%DCPIP 0.5 mL和叶绿体悬浮液5 mL
黑暗
光照
第三步：一段时间后，各试管用离心机离心5 min。
(2) 可能的实验结果及相应结论：
①观察结果：离心后试管1、试管2、试管3内上层清液的颜色依次是：_____________________________________________。
②实验结论：光合作用的条件是________________。
(3) 实验分析与思考：配制叶绿体悬浮液时加入0.5 mol/L蔗糖溶液的目的是______________________________。
无色、蓝色、蓝色(试管2、3的现象与表格中要一致)
光照和叶绿体
维持叶绿体内外渗透压的平衡
2．如图是利用小球藻进行光合作用实验的示意图，图中A物质和B物质的相对分子质量之比是多少？
8∶9；图中A、B物质是氧气，均来自反应物中的水。A、B分别为16O2、18O2，二者的相对分子质量之比为32∶36＝8∶9。
研习经典
1．希尔从细胞中分离出叶绿体，并发现在没有CO2时，给予叶绿体光照，就能放出O2，同时使电子受体还原。希尔反应：H2O＋氧化态电子受体→还原态电子受体＋1/2O2。在希尔反应的基础上，阿尔农又发现在光下的叶绿体，不供给CO2时，既积累NADPH也积累ATP；进一步实验，撤去光照，供给CO2，发现NADPH和ATP被消耗，并产生有机物。
A．光合作用释放的O2来自水而不是CO2
B．NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体膜上
C．希尔反应与CO2合成有机物的过程是两个过程
D．光合作用的需光过程为CO2合成有机物提供ATP和NADPH
下面关于希尔反应和阿尔农发现的叙述， 正确的是(多选)(　 　)
ACD　
解析：由题中的信息(希尔反应式)可知，光合作用过程中产生的氧气来自参加反应的水；从希尔反应和阿尔农发现的叙述，得不到信息：NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体膜上；希尔反应和有机物的合成过程可以分别进行，在光下积累NADPH和ATP，在暗处可以进行有机物的合成；希尔反应只有在光下才能进行，在暗处是不能进行的，在光下积累NADPH和ATP，在暗处可以进行有机物的合成，NADPH和ATP在合成有机物过程中被消耗。
2．下列有关科学家的研究方法及结论的叙述中，错误的是(　　)
A．鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用释放的O2主要来自水
B．卡尔文用14C标记的CO2供应小球藻进行光合作用，探明了暗反应中碳的转移途径
C．科学家向豚鼠胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，揭示了分泌蛋白合成与分泌过程
D．恩格尔曼利用需氧细菌和水绵进行局部曝光和完全曝光的实验，证明了叶绿体是进行光合作用的场所
A
解析：鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，证明了光合作用释放的O2只来自水；卡尔文用14C标记的CO2供应小球藻进行光合作用，探明了暗反应中碳的转移途径，即CO2→C3→有机物；科学家向豚鼠胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，揭示了分泌蛋白的合成与分泌过程；恩格尔曼利用好氧细菌和水绵进行局部曝光和完全曝光的实验，证明了氧气的释放部位在叶绿体，即叶绿体是进行光合作用的场所。
3．用14C和18O分别标记CO2和H2O，当植物体进行光合作用时，下列叙述正确的是(　　)
A．合成的(CH2O)含14C和18O
B．释放的氧气为18O2，合成的(CH2O)含18O
C．释放的氧气为18O2，合成的(CH2O)含14C
D．合成的(CH2O)含18O
C
解析：根据卡尔文实验可知，CO2中的C经光合作用转化成有机物中的碳；根据鲁宾和卡门的实验可知，光合作用释放的O2中的O来自H2O。
研习2
光合作用的过程
自主梳理
1．光反应( Ⅰ 过程)
(1) 场所： ____________________________。
叶绿体类囊体的薄膜上
(2) 外界条件：____________。
光照
(3) 物质变化
① NADP＋＋H2O _____________________________；
② ADP＋Pi＋能量 _____________________________。
(4) 能量变化：光能→________________中活跃的化学能。
光
酶
还原型辅酶Ⅱ(NADPH) ＋ O2
ATP
ATP和NADPH
2．暗反应(Ⅱ过程)
(1) 场所________________。
(2) 物质变化
① CO2＋C5―→________________―→(CH2O)；
② ________―→ADP＋Pi＋能量。
(3) 能量变化：ATP和NADPH中活跃的化学能→________中稳定的化学能。
酶
酶
叶绿体基质
2C3
酶
ATP
有机物
自我检测
1．光合作用包括光反应和暗反应两个阶段，参与暗反应必需的物质是(　　)
A．H2O、CO2、ADP　　　　　
B．CO2、NADPH、ATP
C．H2O、CO2、ATP
D．NADPH、H2O、ADP
B
2．给予从叶绿体分离出的类囊体膜光照，发现能使草酸铁的Fe3＋还原为Fe2＋，并有氧气释放。此实验证明(　　)
A．光合作用在类囊体上进行
B．光合作用的产物O2来自H2O，而不是CO2
C．类囊体吸收光能后，产生O2和还原性物质
D．类囊体上的光反应能产生O2，而暗反应使Fe3＋被还原
C
解析：由题干可知，类囊体吸收光能后，可以产生O2和具有还原性的物质。
3．在棉花叶肉细胞的线粒体基质、细胞质基质、叶绿体基质中可以产生的代谢产物分别是(　　)
A．二氧化碳、丙酮酸、葡萄糖
B．丙酮酸、葡萄糖、二氧化碳
C．丙酮酸、二氧化碳、葡萄糖
D．葡萄糖、丙酮酸、二氧化碳
A
解析：线粒体基质发生有氧呼吸第二阶段，产生二氧化碳和[H]，并释放少量的能量；在细胞质基质中葡萄糖分解成丙酮酸，产生少量的[H]，并且释放出少量的能量；在叶绿体基质内发生暗反应，产生有机物，主要是糖类。
合作讨论
1．光反应阶段过程分析
(1) 图示
(2) 分析
项目 光反应
实质 光能转化为化学能，并释放出O2
时间长短 短促
需要条件 外界条件：光照；内部条件：色素、酶
反应场所 叶绿体类囊体的薄膜上
项目 光反应
物质变化 ①水的光解：水分解生成H＋和O2，H＋和NADP＋结合形成NADPH
②ATP的合成：在相关酶的作用下ADP和
Pi形成ATP
能量变化 光能→活跃的化学能
相应产物 O2、ATP和NADPH
续表
2．暗反应阶段过程分析
(1) 图示
(2) 分析
项目 暗反应
实质 同化CO2形成有机物
时间长短 较缓慢
需要条件 外界条件：CO2；内部条件：酶
反应场所 叶绿体基质
物质变化 ①CO2的固定：CO2＋C52C3
②C3的还原：2C3(CH2O)＋C5
能量变化 活跃的化学能→稳定的化学能
相应产物 葡萄糖等有机物
名师点评
(1) 合作用中各元素的去向
(2) 根据同位素示踪法判断C、H、O的转移途径
① 光合作用过程中O元素的转移途径
H218O 18O2
C18O2 C3 (CH218O)＋H218O
光反应
CO2的固定
C3的还原
② 光合作用过程中C元素的转移途径
14CO2 14C3 (14CH2O)
CO2的固定
C3的还原
③ 光合作用过程中H元素的转移途径
H2O→NADPH→(CH2O)＋H2O
3．光反应与暗反应的比较
比较项目 光反应 暗反应
区别 条件 需叶绿体中的色素和酶、光、水等 需要多种酶、ATP、NADPH、CO2等
场所 类囊体薄膜 叶绿体基质
区别 物质 转化 ①水的光解： H2O —→ H＋＋O2 ②NADPH的合成： NADP＋＋H＋ → NADPH ③ATP的形成： ADP＋Pi＋能量—→ ATP ①CO2的固定：
CO2＋C5—→2C3
②C3的还原：
2C3——————→
(CH2O)＋C5
光
色素
酶
酶
ATP、NADPH
酶
续表
比较项目 光反应 暗反应
比较项目 光反应 暗反应
区别 能量 转化 光能转变为活跃的化学能 活跃的化学能转变为稳定的化学能
联系 光反应是暗反应物质和能量转化的准备阶段，暗反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段
续表
4．光照强度和二氧化碳浓度骤变时，对光合作用中各种物质浓度的影响
方法技巧
判断C3、C5等物质含量变化的分析思路
叶绿体内相关物质含量变化可通过对物质的来源和去路是否平衡进行分析。
(1) 来源 去路，则物质含量相对稳定。
(2) 来源不变，去路增加，或来源减少，去路不变，则物质含量减少。
(3) 来源不变，去路减少，或来源增加，去路不变，则物质含量增加。
动态平衡
问题探究
下图是光合作用的过程图解，请据图分析：
(1) 图中①～⑦各种物质分别是什么？
①叶绿体中的色素；②O2；
③NADPH；④ATP；⑤2C3；
⑥CO2；⑦(CH2O)。
(2) 过程Ⅰ、Ⅱ分别是什么？发生的场所分别在哪里？
Ⅰ是光反应，发生在叶绿体类囊体的薄膜上；Ⅱ是暗反应，发生在叶绿体的基质中。
光反应为暗反应提供了ATP和NADPH；暗反应为光反应提供了ADP和Pi。
(3) 光反应为暗反应提供了哪些物质？暗反应为光反应又提供了哪些物质？
(4) 叶绿体中ATP、ADP的运动方向是怎样的？
ATP：类囊体薄膜→叶绿体基质。
ADP：叶绿体基质→类囊体薄膜。
(5) 若突然停止光照，光反应和暗反应如何变化？
光反应立即停止，暗反应仍能进行一小段时间，最终也停止。
(6) 光合作用的光反应和暗反应是一个有机的整体，如何理解？
光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi。如果没有光反应，则不能为暗反应提供光反应的产物ATP和NADPH，暗反应就不能进行；同样，如果没有暗反应，光反应产生的ATP和NADPH会大量积累，也会抑制光反应的进行。所以光反应和暗反应是一个有机的整体。
研习经典
1．下图表示绿色植物体内某些代谢过程中物质的变化，A、B、C分别表示不同的代谢过程。以下表述正确的是(　　)
A．水参与C中第二阶段的反应
B．B在叶绿体囊状结构上进行
C．A中产生的O2参与C的第二阶段
D．X代表的物质从叶绿体的基质移向叶绿体的囊状结构
A
解析：根据代谢过程中物质的变化图分析，A、B、C 分别表示光反应(场所：类囊体薄膜)、暗反应(场所：叶绿体基质)和有氧呼吸(场所：细胞质基质和线粒体)，故选项B错误。光反应产生的O2参与有氧呼吸(C)的第三阶段。X是光反应产生的ATP，在叶绿体中，ATP的移动方向是从叶绿体的囊状结构移向叶绿体的基质。
归纳总结
巧记光合作用过程的“一、二、三、五”
2．如图为叶绿体结构示意图，下列有关叶绿体结构与功能的叙述错误的是(　　)
A．①和②具有选择透过性功能
B．③上既有光合色素又有与光合作用有关的酶
C．③和④中都有与光合作用有关的酶
D．只有具有叶绿体的细胞才能进行光合作用
D
解析：叶绿体是进行光合作用的主要场所，但是有些生物没有叶绿体也可以进行光合作用，如蓝细菌。
3．能源问题是当前社会面临的严重问题，而氢气则是洁净的高效能源，H2可由2个H＋生成，光合作用的光反应可产生H＋，目前部分生物学家正致力于从光合作用中得到用于合成H2的H＋的研究，并取得了一定的进展。下列有关说法错误的是(　　)
A．水光解产生的H＋被NADP＋接受，生成了NADPH
B．在叶绿体中ATP和NADPH的转移途径是从类囊体薄膜到叶绿体基质
C．根据光合作用释放的氧气量，可以计算出光合作用有机物的积累量
D．停止光照，暗反应很快会停止，停止供应CO2，则光反应不受影响
D
解析：ATP和NADPH是光反应的产物；ATP和NADPH形成于类囊体薄膜，然后转移至叶绿体基质参与暗反应；光合作用每释放6 mol氧气，会积累1 mol葡萄糖，因此可根据光合作用释放氧气的量计算光合作用有机物的积累量；停止供应CO2，暗反应停止，光反应产生的ATP和NADPH积累，进而光反应受到抑制。
梳理网络
要语必备
1．光合作用的实质是合成有机物，储存能量；而呼吸作用的实质是分解有机物，释放能量。
2．光反应的场所是类囊体薄膜，产物是O2、NADPH和ATP。
3．暗反应的场所是叶绿体基质，产物是糖类等有机物。
4．光合作用中的物质转变
(1) 14CO2→14C3→(14CH2O)；
(2) H218O→18O。
5．光合作用中的能量转变：光能→ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能。
课 后 题
1．如图为叶绿体的结构与功能示意图，下列说法错误的是(　　)
A．结构A中的能量变化是光能转变为ATP和NADPH中的化学能
B．供给14CO2，放射性出现的顺序为CO2→C3→甲
C．结构A释放的氧气可进入线粒体中
D．如果突然停止CO2的供应，则短时间内C3的含量将会增加
D
解析：结构A为叶绿体类囊体薄膜，在类囊体薄膜上进行的是光反应，光反应主要进行水的光解和ATP的形成。在光合作用过程中，CO2首先和C5结合生成C3，C3再被还原成有机物和C5。若突然停止CO2的供应，则C3生成量减少，而其消耗量不变，因此C3含量降低，而C5由于无法与CO2结合，其消耗量减少，积累量短时间内会增加。
2．光反应在叶绿体类囊体上进行。在适宜条件下，向类囊体悬液中加入氧化还原指示剂DCIP，照光后DCIP由蓝色逐渐变为无色。该反应过程中(　　)
A．需要ATP提供能量
B．DCIP被氧化
C．不需要光合色素参与
D．会产生氧气
D
解析：光照条件下，叶绿体类囊体薄膜上的色素接受光能，进行光反应分解水产生NADPH和ATP，释放氧气；光反应过程需要光合色素吸收光能，不需要ATP供能，DCIP被还原。
3．下图为光合作用过程示意图。在适宜条件下栽培小麦，如果突然将c降低至极低水平(其他条件不变)，则a、b在叶绿体中含量的变化将会是(　　)
A．a上升、b下降
B．a、b都上升
C．a、b都下降
D．a下降、b上升
B
解析：图中c为二氧化碳，a、b分别为NADPH和ATP。在光合作用过程中突然将二氧化碳降低到极低水平，而其他条件不变，这时，二氧化碳的固定减弱，但C3的还原仍会进行一段时间，所以C3含量下降，C5含量增加，NADPH和ATP的含量都会上升。
4．将可以进行光合作用的离体叶绿体置于锥形瓶中，进行如图所示的实验。本实验的目的是研究光合作用过程中(　　)
A．暗反应所需要的环境条件
B．光能转化成化学能的变化途径
C．水光解产生NADPH和O2的反应过程
D．CO2中的碳元素在暗反应中的转移途径
D
解析：离体的叶绿体可以进行光合作用的全部过程，本题中使用的是14CO2，因此对同位素进行追踪，可研究碳元素在暗反应中如何进行转移最终到达(CH2O)中，D正确。
5．植物学家希尔将叶绿体分离后置于试管中，加入1%的DCPIP
(DCPIP是一种可以接受氢的化合物，被氧化时是蓝色的，被还原时是无色的)后，将试管置于光下，发现溶液由蓝色变成无色并放出氧气，以上实验证明了(　　)
A．光合作用产生的氧气来自H2O
B．光合作用的过程中能产生还原剂和O2
C．光合作用的光反应在类囊体膜上进行
D．光合作用的暗反应在叶绿体基质中进行
B
解析：判断光合作用产生的氧气的来源时需用同位素标记法，本实验无法判断光合作用产生的氧气的来源，A不符合题意；溶液由蓝色变成无色，说明产物中有还原剂，并放出氧气，故说明光合作用的过程中能产生还原剂和O2，B符合题意；题述实验不能判断光合作用的光反应的场所，C不符合题意；题述实验不能判断光合作用暗反应的场所，D不符合题意。
6．如图是某植物体内进行的某种活动，据图完成问题。
(1) 该生理活动的名称是_________。
(2) 该生理活动是在叶肉细胞内被称为________的细胞器中进行的。
(3) 图中字母A、B、C各自所代表的物质的名称是：A___________，
B__________，C________。
光合作用
叶绿体
(CH2O)　
ATP
NADPH
(4) 需要消耗物质A和B的生理过程③的名称是__________。
(5) 图中编号①所表示的生理过程是__________。
(6) 此生理过程中，A移动的方向是_______________________________________________________。
从类囊体薄膜到叶绿体基质　
C3的还原　
水的光解　
(7) 若用14C标记CO2中的C，则被标记的C存在于____________中。
(8) 色素吸收的________能，在这一生理活动过程的__________阶段部分被转移到________中，转变为活跃的化学能，再经过这一生理过程的____________阶段，转变为________化学能。
稳定的
C3和(CH2O)　
光
Ⅰ(光反应)　
ATP
Ⅱ(暗反应)　
解析：图中所示生理过程为光合作用，其中Ⅰ为光反应阶段，Ⅱ为暗反应阶段，A为ATP，B为NADPH，C为(CH2O)，①为水的光解，②为CO2的固定，③为C3的还原。
本课结束！