5.4 光合作用与能量转化（第三课时）学案 2022—2023学年高一上学期生物人教版必修1

学习任务单 课程基本信息 学科 生物学 年级 高一 学期 秋季 课题 光合作用与能量转化（第三课时） 教科书 书 名：《生物学 必修1 分子与细胞 》教材 出版社：人民教育出版社 出版日期：2019年6月 学生信息 姓名 学校 班级 学号 学习目标 1.关注CO2人工合成淀粉技术,理解光合作用原理研究与技术发展之间的关系,认同人工合 成淀粉技术对社会的价值和意义,能够正确运用生物学知识和观念参与相关社会事务的讨 论。 2.阅读科学史上经典实验,学会分析科学家的实验设计和实验结果,学习如何根据证据作出合理判断得出实验结论，体会科学家质疑、求实、勇于创新的科学精神和科学态度。 3.学会从物质与能量视角，探索光合作用原理，阐明光合作用光反应和暗反应阶段反应过程中的物质和能量变化，设计并撰写表格比较和分析光反应和暗反应阶段的区别和联系。 4.学会从结构与功能相联系的视角，理解并说明光合作用各阶段的场所，阐明叶绿体结构和功能的统一性，并运用所掌握知识，通过设计光合作用原理示意图建构模型。 课前学习任务 预习资料 2021年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员带领团队在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。这条新路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能，为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。相关研究成果以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”发表于最新一期《Science》上。 研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在氢气作用下还原成一碳（C1）化合物，然后通过设计构建一碳聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将一碳化合物聚合成三碳（C3）化合物，最后通过生物途径优化，将三碳化合物又聚合成六碳（C6）化合物，再进一步合成淀粉（Cn化合物），合成简图如下图所示。 马延和研究员表示，该成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗，如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展。 预习任务：请同学们结合图文资料思考并回答以下问题： 1 人工合成淀粉的原理和光合作用有相似之处吗？ 2 由二氧化碳合成有机物时C被氧化还是被还原？ 3 人工合成淀粉过程中需要添加ATP提供能量吗？ 4 人工合成淀粉对社会发展有什么意义？ 课上学习任务 【学习任务一】 资料1：探究光合作用过程中氧气的生成 1.1 1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）发现，在不加入二氧化碳的情况下，离体叶绿体悬浮液照光不能产生氧气；若在离体叶绿体悬浮液中加入植物细胞提取液，照光，可产生氧气；若在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其它能够接受电子的氧化剂，照光，也可以产生氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。 1.2 1941年，美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2使它们分别变成H218O和C1802。然后，进行了两组实验:第一组给植物提供H2O和 C1802，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。 1.3 1951年，塞维罗·奥乔亚（S. Ochoa）发现若在离体叶绿体悬浮液中加入NADP+，在光照条件下可以生成氧气，并生成NADPH。 任务1.1 光合作用生成O2中的O从何而来？ 请同学们分析鲁宾和卡门的实验过程和结果，分析科学家设计实验的思路，完成下列表格。 实验方法 自变量 因变量 实验过程及结果 反应物 生成物 第一组 第二组 科学家提出主张需要证据支持，证据通常来源于对自然界的观察、测量或实验的结果，而推理指使用恰当的科学概念或逻辑推理解释证据如何支持主张。请同学们阅读资料1.1和1.2的内容，完成下列示意图，阐述科学家如何证明光合作用生成氧气中的O全部来自于H2O。 任务1.2 希尔反应中谁是接受电子的氧化剂？ 任务1.3 光合作用中谁是最终接受电