5.4 光合作用与能量转化（第二课时）课件-2023-2024学年高一上学期生物人教版必修1

第5章 细胞的能量供应和利用 第4节 光合作用与能量转化 （第二课时） 1 光合作用：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。 二. 光合作用的原理和应用 2 （一）光合作用的原理 思考·讨论 探索光合作用原理的部分实验 19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。 1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。 3 1937年，英国植物学家希尔发现，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H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。 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。 光照 4 是否能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？ 否，该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移。 是否能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？ 是，悬浮液中只有H2O而没有合成糖所需的另一种原料CO2。 5 1941年，美国科学家鲁宾和卡门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C18O2。 然后，进行了两组实验： 第一组给植物提供H2O和C18O2，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。 说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水 6 1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 上述实验表明，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（也称为碳反应）两个阶段。 7 光反应阶段 光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行。 光反应阶段在类囊体的薄膜上进行。 叶绿体中光合色素吸收的光能，有以下两方面用途： 一是将水分解为氧和H+，氧直接以氧分子的形式释放出去，H+与氧化型辅酶Ⅱ（NADP+）结合，形成还原型辅酶Ⅱ（NADPH）。NADPH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ADP与Pi反应形成ATP。这样，光能就转化为储存在ATP中的化学能。这些ATP将参与第二个阶段合成有机物的化学反应。 8 9 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。 暗反应阶段的化学反应在叶绿体的基质中进行。 在这一阶段，CO2被利用，经过一系列的反应后生成糖类。 CO2是如何转变成糖类的呢？ 20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。 10 小球藻广泛分布于自然界；易于培养，不仅能利用光能自养，还能在异养条件下利用有机碳源进行生长、繁殖；生长繁殖速度快，是地球上动植物中唯一能在20h增长4倍的生物，所以其应用价值很高。 11 绿叶通过气孔从外界吸收的CO2，在特定酶的作用下，与C5（核酮糖-1，5-二磷酸，RUBP）结合，这个过程称作CO2的固定。 一分子的CO2被固定后，很快形成两个C3（3-磷酸甘油酸）分子。 在有关酶的催化作用下，C3接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。 随后，一些C3在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类； 另一些C3经过一系列变化又形成C5。这些C5又可以参与CO2的固定。 这样，暗反应阶段就形成从C5到C3再到C5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。 12 13 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O2和H+等，形成ATP和NADPH，于是光能转化成ATP和NADPH中的化学能； ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2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。 14 （二）光合作用的原理的应用 光合作用的强度（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