生物：5.4《能量之源-光与光合作用》学案（新人教版必修1）

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第4节 能量之源——光与光合作用
一. 学习内容：
光合作用，包括光合作用的发现、光合作用的概念、光合作用的总反应式、光合作用的实质、绿色植物进行光合作用的场所、光合作用的过程、能够进行光合作用的生物、提高农作物对光能的利用率的途径以及光合作用的意义等。希望同学们在学习过程中要将所学的知识融会贯通，全面、准确地去理解和掌握。
二. 重点与难点：
（一）学习重点：
1. 光合作用的发现。
2. 光合作用的过程。
3. 光合作用的意义。
（二）学习难点：
1. 光合作用的发现。
2. 光合作用的过程。
3. 能够进行光合作用的生物。
三. 学习内容及疑难解析：
1. 光合作用的发现：
（1）1771年英国科学家普里斯特利通过玻璃罩内小鼠生存实验证明：植物能够更新空气。
（2）1864年德国科学家萨克斯通过叶片的遮光实验证明：淀粉是光合作用的产物之一。
（3）1880年德国科学家恩吉尔曼通过极细的光束照射水绵的实验证明：叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
（4）20世纪30年代美国科学家鲁宾和卡门通过同位素标记法证明：光合作用所释放氧气中的氧全部来自于水。
（5）疑难解析：
① 在生物实验中一个重要的问题就是对实验现象或者实验所得的结果进行合理的
解释。例如：不能将恩吉尔曼的实验解释为通过实验证明水绵产生了氧气。氧气是光合
作用的产物是前人的实验成果，恩吉尔曼进行实验设计的巧妙之处在于借用它来证明光
合作用进行的场所，即那里产生氧气那里就是光合作用的场所。
② 在生物实验中另一个重要的问题就是如何进行生物实验的设计，而设计生物的实验
的一个核心问题就是如何进行变量的控制，即控制单一变量，否则将很难说明该生命现
象就是由于该因素的变化引起的。设立参照系进行对比，也就是设计对照实验，是进行
变量控制的一种常用的方法，在设立参照系进行对比时应特别注意除比较项外的等条件
性。只有这样才能说明该生命现象就是由于该因素的变化引起的。例如：在鲁宾和卡门
的实验中就需要设计两组实验进行对照，用示踪元素18O标记了原料水的一组就不能同
时标记原料二氧化碳，而用示踪元素18O标记了原料二氧化碳的一组就不能同时标记原
料水，否则就很难证明光合作用所释放氧气中的氧全部来自于原料中的水。
2. 光合作用的概念：
绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化为糖类等有机物，贮存能量，并且放出氧气的过程。
3. 光合作用的总反应式：
疑难解析：
① 光合作用的产物6O2中的氧全部来自于12H2O的光解，而光合作用的产物6 H2O中的氧来自6CO2。
② 反应的条件是叶绿体，不能写成叶绿素。
③ 反应不释放能量，反应的产物中千万别加上能量。
4. 光合作用的实质：光合作用是叶绿体内进行的复杂的能量转换和物质变化过程。
5. 光合作用的场所：叶绿体绿色植物进行光合作用的。
叶绿体中色素的比较：
项目 颜色 吸收光谱 纸层析图谱 功能
叶绿素 叶绿素a叶绿素b 蓝绿色黄绿色 主要吸收红光和蓝紫光 中下层最下层 吸收、传递光能部分叶绿素a还能转换光能
类胡萝卜素 胡萝卜素叶黄素 橙黄色黄光 主要吸收蓝紫光 最上层中上层 吸收、传递光能
疑难解析：
① 在叶绿体中叶绿素的含量是类胡萝卜素是四倍，这就是叶片之所以呈现绿色的原因，而到了秋天，叶子之所以变黄是因为随着叶绿素分解，类胡萝卜素的颜色显现出来造成的。
② 叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，其他的光也能吸收，所以在自然光下叶绿素吸收光的总量最大。
6. 光合作用的过程：
在叶绿体的基粒片层——类囊体上，分布着许多色素分子，包括叶绿素，类胡萝卜素，这些色素分子能够吸收光子，自身被激发，进而将能量传递给别的色素分子，最终由一种色素分子接受能量并完成能量的转换，形成不稳定的化学能——活跃化学能。由于这些变化必需有光才能进行，称为光合作用的光反应。
在叶绿体基质中，活跃化学能被用来合成有机物，从而完成从光能向稳定化学能的转变。由于这些变化有光、无光都能进行，称为光合作用的暗反应。
（1）光反应阶段：必须有光能才能进行，在叶绿体内的类囊体结构上进行。
光反应过程示意图：
在光反应阶段主要完成了两个转变：光能转变为电能以及电能转变为活跃化学能。
其过程如下：
第一步：光能的吸收和传递：
① 具有吸收和传递光能作用的色素包括：绝大多数的叶绿素a以及全部的叶绿素b，胡萝卜素，叶黄素。
② 这些色素吸收光能，通过共振传递，最终将光能传递给少数特殊状态的叶绿素a
第二步：光能转变为电能：
① 少数处于特殊状态的叶绿色a，具有吸收、传递、转换光能的作用。它们接受其他色素传递来的光能，将其转换成电能
② 在光的照射下，少数处于特殊状态的叶绿素a不断失去电子和获得电子，从而形成电子流，光能就不断的转换成了电能。
A. 少数处于特殊状态的叶绿素a，接受其他色素传递来的光能后，进入激发态，失去电子，将电子传递给中间电子受体D，再由中间电子受体D将电子传递给NADP+和ADP。
B. 特殊状态的叶绿素a，失去电子后，成为强氧化剂，从中间电子供体C夺取电子后由激发态又恢复到基态。中间电子供体C最终从水分子夺取电子，使水光解。
光能
NADP+
e NADPH
H2O
ADP+Pi ATP
A：处于特殊状态的叶绿素a分子
C：电子供体 D：电子受体
在这里请同学们注意：
Ⅰ电子的最终供体是水，水在光、酶、色素的作用下分解，供氢，供电子。
Ⅱ电子的最终受体是NADP+和ADP。
Ⅲ在叶绿体的色素中，只有特殊状态的叶绿色a能完成能量形式的转换。
第三步：电能转换成活跃的化学能：即光合磷酸化
（1）辅酶Ⅱ：烟酰胺酰嘌呤二核苷磷酸，英文简写NADP+
NADP+能得到两个电子和一个还原氢生成NADPH（还原性辅酶Ⅱ）
物质转换： NADP+ +2e +H+ 酶 NADPH
能量转换： 电能 活跃的化学能
（2）同时，叶绿体利用光能转换成的另一部分电能，将ADP和Pi转换成ATP，以活跃的化学能的形式储存起来。
NADPH（强还原能力）
光能 电能 活跃的化学能
ATP（含高能磷酸键）
光能 光能
O2
H2O
NADP+ NADPH ATP ADP + Pi
CH2O CO2
在这里请同学们注意：NADPH是很强的还原剂，可以将二氧化碳最终还原成糖类等有机物，自身被氧化成NADP+继续接受电子。
（3）暗反应阶段：没有光能也可以进行，在叶绿体基质中进行。
在暗反应阶段完成了活跃化学能向稳定化学能的转变。既ATP和NADPH中的活跃的化学能转变为稳定的化学能贮存在糖类等有机物中。其过程如下：
第一步：CO2的固定
绿色植物通过气孔从外界吸收的二氧化碳，与一种含有五个碳的化合物（C5）结合，形成两个含有三个碳原子的化合物（C3）。
6CO2 + 6C5 酶 12 C3
第二步：C3的还原
CO2的固定后，形成的含有三个碳原子的化合物（C3），在一系列酶的催化作用下，接受ATP释放出的能量，被NADPH还原，经一系列复杂的反应形成糖类等有机物。同时经过复杂的变化，含有五个碳的化合物（C5）重新形成，循环使用。
12 C3 + 24NADPH + ATP 酶 C6H12O6 + 6H2O + 6C5 + ADP + Pi
疑难解析：
Ⅰ在光合作用的暗反应中，不是2个 C3形成1个C6H12O6，而是12个 C3形成1个C6H12O6和6个C5。 ⅡC5是循环使用的，继续进行CO2的固定。
Ⅲ光合作用的产物不仅有糖类，糖类是光合作用的主要产物，光合作用的直接产物还包括某些氨基酸，脂类。
（4）光反应与暗反应的关系：可用下图表示
光反应与暗反应比较：
项目 光反应 暗反应
时间 放出O2短促快速以微秒计 酶促反应较缓慢
条件 需叶绿素，光和酶 不需叶绿素和光，需多种酶
场所 在叶绿体类囊体的薄膜上进行 在叶绿体的基质中进行
物质变化 水的光解：12 H2O 光、酶 24NADPH + 6O2光合磷酸化：ADP + Pi 酶 ATP CO2的固定：6CO2 + 6C5 酶 12 C3C3的还原：12C3 + 24NADPH 酶 C6H12O6 + 6H2O + 6C5
能量变化 光能→电能→活跃化学能 活跃化学能→稳定化学能
联系 两个阶段是一个整体，在光合作用过程中，紧密联系，缺一不可。光反应是暗反应的基础，为暗反应阶段提供能量（ATP）和还原剂（还原氢［H］），暗反应产生的ADP和Pi为光反应合成ATP提供了原料。
疑难解析：
Ⅰ光反应与暗反应是叶绿体中同时进行的两个过程。
Ⅱ光反应是暗反应基础，光反应为暗反应提供了进行还原反应所必需的还原剂和能量，还原剂是NADPH，能量由NADPH和ATP共同提供。
7. 能够进行光合作用的生物： 能够进行光合作用的生物称为绿色植物，它主要包括：
（1）植物界中几乎所有的植物。
疑难解析：菟丝子等营寄生生活的植物除外。
（2）原生生物界中的部分原生生物，也就是一部分藻类植物，主要包括：
绿藻：如衣藻、团藻等。
红藻：如紫菜等。
褐藻：如海带等。
（3）原核生物界中的部分原核生物：主要包括蓝藻（如念珠藻和满江红等）以及能够进行光合作用的细菌等。
8. 提高农作物对光能的利用率：
（1）农作物对光能的利用率的概念：
农作物对光能的利用率指的是农作物利用光能的数量。
（2）提高农作物对光能的利用率的主要措施：
① 延长光照时间：主要措施包括人工光照、延长生长期，提高复种指数以及轮作等
② 增加光照面积。主要措施包括合理密植、间作、套种等
③ 提高农作物的光合作用效率。
农作物的光合作用效率指的是绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含的能量，与光合作用中吸收的光能的比值。
疑难解析：
Ⅰ农作物对光能的利用率与农作物的光合作用效率不是同一个概念。
Ⅱ在光照时间不能继续延长，光照面积不能继续增加的情况下，还可以通过提高农作物的光合作用效率来提高农作物对光能的利用率，增加农作物的产量。
9. 光合作用的意义：
（1）光合作用是生物界的能量来源和物质来源，为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了有机物和能量来源。
（2）光合作用可以调节大气中的二氧化碳、氧气的平衡，从而维持大气中氧和二氧化碳含量的相对稳定。
（3）光合作用对生物进化也具有重要的作用：
由于原始地球的大气在没有氧气，30亿年最早出现的生物是异养厌氧型生物
经过10亿年的进化
20亿年地球上开始出现自养型的生物（如蓝藻），它们通过光合作用产生O2
O2的产生为需氧型生物的出现创造了必要的条件
地球上开始出现需氧型的生物（包括自养需氧型的植物和异养需氧型的动物）
随着的积累，地球上逐渐形成了臭氧层，
由于臭氧层能够吸收紫外线，为陆生生物的出现
创造了必要的条件
地球上开始出现陆生生物（包括各种陆生植物和陆生动物）w.w.w.k.s.5.u.c.o.m
www.
具有传递转换功能的色素
A
D
C
---H+ + e --------------------------
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