2025届高考生物一轮复习：第9讲 （第2课时）光合作用

目 录 CONTENTS 第9讲 光合作用与能量转换 考点一、捕获光能的色素与结构 考点三、影响光合作用的因素与应用 考点二、光合作用的原理与过程 【新旧对比】增：①光谱概念②希尔实验和阿尔农实验③光合作用影响因素 删：①叶片呈绿色的原因 ②普利斯特利实验 ③英格豪斯实验 ④梅耶实验 ⑤萨克斯实验。改：①水分解为氧和H＋，H＋与NADP＋结合形成NADPH②C3还原过程中NADPH既提供能量又作还原剂③化能合成作用改为小字介绍(弱化)。 2025届高考备考第一轮۰必修1第3单元 细胞的能量供应和利用 俗话说：万物生长靠太阳，为什么这样说呢？请看数据: 地球上的绿色植物每年大约制造了4400亿吨有机物！ 储存的能量约7.11×1018KJ，相当于24万个三门峡电站每年所发出的电力！ 由此可见：对绝大多数生物来说，活细胞所需能量的最终来自太阳的光能。 太阳的光能通过什么途径进入植物体内呢？ 一、探索光合作用原理的部分实验 (必修1 P102“思考·讨论”) 19世纪末 甲醛→糖 1928年 甲醛对植物有毒 不能通过光合作用转化成糖 1937年 希尔反应 水的光解产生氧气 1941年 鲁宾和卡门 同位素标记法光合作用氧气来自于水 1954年 阿尔农 光照下叶绿体合成ATP 总是与水的光解相伴 温馨提示： 带着预习时的疑难问题听讲，主要从场所、物质变化、能量变化等方面捕捉重要信息！ 一、探索光合作用原理的部分实验 (必修1 P102“思考·讨论”) 资料1：19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。 探索光合作用原理的部分实验 CO2 O2 C + H2O 甲醛 (CH2O) 1928年，发现甲醛对植物有毒害作用，甲醛也不能通过光合作用转化成糖。 氧来自CO2的可能性较小，较更有可能来源于水。 初步判断 一、探索光合作用原理的部分实验 资料2：1937年，英国科学家希尔 离体的叶绿体悬浮液 离体叶绿体在适当条件下发生H2O的光解，产生O2的化学反应称作希尔反应。 O2 H+ 讨论1：希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？ 能够说明， 该实验还说明水的光解并非必须与糖的合成相关联。 讨论2：希尔实验能否说明植物光合作用产生的O2中的氧全部来自水？ 该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没直接观察到氧元素的转移。 讨论3：光合作用生成的O2中的氧到底来自H2O还是CO2？如何设计实验探究？ 同位素示踪法 不能 （相当于NADP+) 一.探索光合作用原理的部分实验 资料3：1941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18O分别标记成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。 CO2 H218O 光照射下的小球藻悬液 C18O2 H2O 18O2 O2 相互对照（对比实验） 自变量： 标记物质(H218O与C18O2) 因变量： O2的是否为18O。 光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水，而并不来源于CO2 讨论：分析鲁宾和卡门做的实验得出什么结论？ 一.探索光合作用原理的部分实验 资料4：1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，当向反应体系供 给ADP、Pi时，会有ATP产生。同样方法处理四只试管，只有1号有 ATP产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 讨论.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。 H2O O2 + H+ + 能量 光照 叶绿体 ADP+Pi ATP 尝试叙述光合作用的光反应过程 ATP ADP+Pi 酶 O2 NADP++【H+】 H2O 光解 光反应阶段 类囊体薄膜 NADPH [相关信息] 水分解为氧和H+的同时，被 叶绿体夺去两个电子。电子 经传递，可用于NADP+与H+ 结合形成NADPH。 2010年4月，美科研人员将金纳米电极刺入海藻细胞的叶绿体中，拦截了刚被太阳光激活处于高能量状态的电子，并产生微弱的电流。推测该光反应的最终产物有 。 H+，e-，O2，少量ATP 光反应过程的最新研究 电子传递链 光合磷酸化 拓展：光反应的过程详解 H+ +NADP+ NADPH 光反应的过程详解 类囊体腔 高【H+】 叶绿体基质低【H+】 电子传递链 光合磷酸化 资料5：20世纪40年代，美国科学家卡尔文等的小球藻实验： 情境1：向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30秒后检测产物，检测到 了多种带14C标记的化合物，其中有三碳化合物（C3）、五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)。 （小球藻是一种单细胞的绿藻） 如何确定二氧化碳中的C先转移到 C3、C5和C6中的哪个化合物呢？ 缩短反应时间 一、探索光合作用原理的部分实验 资料5：卡尔文等的小球藻实验 一、探索光合作用原理的部分实验 情境2：反应进行到5秒光照时，卡尔文等检测到同时含有放射性的C5化合 物和C6化合物。缩短工作时间到几分之一秒时，90%以上的放射性 14C集中在一种C3化合物上。 大致描述CO2转化成有机物过程中，C的转移途径。 CO2 C3 (CH2O) C5 C5 C3 实验发现，在光照条件下，突然降低CO2 的浓度，C3和C5含量有如右图变化： 结论：CO2与C5结合形成C3化合物 CO2与什么物质结合形成C3? 源于必修1 P104正文拓展：光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2，一定时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析。实验发现，仅仅30 s的时间，放射性代谢产物多达几十种。缩短时间到7 s，发现放射性代谢产物减少到12种，想要探究CO2转化成的第一个产物，可能的实验思路是__________________________ __________________________________________________________________________________________________。 不断缩短光照时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析，直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物，该物质即为CO2转化成的第一个产物 一、探索光合作用原理的部分实验 资料6：阿尔农还发现，黑暗条件下，只要供给了ATP和NADPH，叶绿 体就能将CO2转化为糖类，同时ATP和NADPH含量急剧下降。 卡尔文循环呈现出了有机物的形成过程，与前面水的光解产生氧气 过程是否存在一定联系？ ATP和NADPH参与生成C5和C6时。光能又是怎样转化储存到糖类中的？ 水的光解为卡 尔文循环提供 了ATP和NADPH 光能首先被光合色素吸收，转化成ATP、NADPH中的化学能，再转移到糖类等有机物中。 H2O O2 + H+ + 能量 光照 叶绿体 ADP+Pi ATP NADP+ + H+ + e NADPH 小结： 上述资料表明：光合作用吸收的二氧化碳与C5结合形成C3，C3经过一系列变化，转化为糖类的同时又形成C5。这些C5又参与C3的形成。这样，C5到C3再到C5的循环，可以源源不断进行下去。所以暗反应也称为卡尔文循环（碳循环）。 完善光合作用的示意图。 2C3 CO2 （CH2O） 多种酶 参加反应 固定 暗反应阶段 叶绿体基质 还原 C5 17 光反应阶段 暗反应阶段 CO2+C5 2C3 酶 2C3 (CH2O)+C5 酶 2C3 CO2 固 定 C5 多种酶 (CH2O) 还 原 1 2 O2 ATP 酶 ADP+Pi 叶绿体中色素分子 光能 H2O 水在光下分解 供能 酶 NADPH NADP+ 供能 供氢 2H2O 光解 4e+4H++O2 ADP+Pi+电能 酶 ATP 酶 NADP++2e+H+ NADPH ATP ADP+Pi NADPH NADP+ NADPH的作用？ 1.活泼的还原剂； 2.为暗反应供量； 光能→活泼的化学能 光反应与暗反应的联系？ 二、光合作用的过程分析 1.光反应为暗反应提供NADPH和ATP 2.暗反应为光反应提供NADP＋、ADP和Pi 为什么CO2浓度降低会使光反应速率降低？ CO2↓，CO2固定和C3还原减慢，[H]和ATP消耗减少，NADP+、ADP、Pi减少从而使光反应速率降低 光能 H2O CO2 还 原 （CH2O） 叶绿体 色素 供氢 供能 酶 供能 多种酶 暗反应 （叶绿体基质） 2C3 C5 固定 ADP+Pi ATP 酶 水在光下分解 O2 NADPH NADP+ 光反应 （叶绿体类囊体薄膜） 如何分析叶绿体中C3、C5、NADPH、ATP的动态变化？ 光照增强 CO2供应不变 光照减弱 CO2供应不变？ 光照不变 CO2供应增加？ 光照不变 CO2供应减弱？ 方法1：“来源－去路”法分析物质含量的变化： 如何分析叶绿体中C3、C5、NADPH、ATP的动态变化？ 方法2：“模型”法分析物质含量的变化： ①图1中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ②图2中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ③图3中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ④图4中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 C5、NADPH、ATP C3 C5、NADPH、ATP C3 C5、NADPH、ATP C3 C3 C5、NADPH、ATP 判断技巧 图示中，C3和C5含量变化相反， [H]、ATP和C5的含量变化一致。 为什么C3是C5的两倍？ 光合速率达到平衡时，一分子CO2和一分子C5反应生成2分子C3 三、光合作用的反应式、概念、意义： 1.概念： 指绿色植物通过_______，利用光能，把____________转化成储存着能量的有机物，并且释放出______的过程。 叶绿体 CO2和H2O 场所 条件 原 料 氧气 产 物 书写时用： CO2+H2O* （CH2O）+ O2* 光能 叶绿体 计算时用： 6CO2 +12H2O C6H12O6+6H2O+6O2 光能 叶绿体 思考：蓝细菌能进行光合作用的内在条件是？ 没有叶绿体，但是有藻蓝素和叶绿素，以及与光合作用有关的酶。 必修1 P104“相关信息”：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。 C6H12O6 淀粉 （植物细胞内的储能物质） ①储存 蔗糖） ②运输 幼叶、根、茎、果实、种子 筛管 激素调节 细胞呼吸底物（C6H12O6） ③ 细胞呼吸的过程 ①蔗糖是非还原糖，较稳定，适宜长距离运输 ②属二糖，维持渗透压相对稳定（组培过程中培养基加蔗糖） 生长素 三、光合作用的反应式、概念、意义： 2.光合作用产物的“三个去向” 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 三、光合作用的反应式、概念、意义 3.意义： ⑴有机物的来源: →把无机物合成有机物，不仅是自身的 营养物质,而且是人和动物的食物来源. ⑵能量来源: →将光能转换成化学能，贮存在有机物中， 提供了生命活动的能量来源. ⑶ O2来源： 为有氧呼吸的生物提供氧气；维持大气中O2和CO2的平衡。 ⑷形成臭氧（O3），吸收紫外线，保护地球生物。 ⑸对生物的进化有重要的作用。（为好氧生物的出现提供了氧气） 光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。 四、光合作用原理的应用之---测定光合速率 1.光合作用速率 (光合作用强度): 概念： 简单地说，指植物在__________内通过光合作用_________的数量. 单位时间 制造糖类 产生O2 利用CO2 通常我们用测量到的密闭容器内的O2释放量或CO2吸收量来表示光合速率，但是因为叶肉细胞中光合作用和呼吸作用同时进行的，我们测量到的其实是光合作用减去细胞呼吸的差数，即净光合速率。植物真正的光合速率是不能直接测量到的。 真正光合速率，只能根据净光合速率和呼吸速率计算得出： 实际/真正/总光合速率 ==表观/净光合速率+呼吸速率 测净光合速率：将植物置于密闭容器，并置于光下，测定容器内O2释放量 或CO2吸收量或糖类积累量； 测呼吸速率：将植物置于密闭容器，并置于黑暗中，测定容器内O2消耗量、 CO2产生量、有机物消耗量。 五、光合作用原理的应用之---测定光合速率 2.光合速率（呼吸速率）常见的表示方式与“关键词”： 实际/真正/总光合速率 == 表观/净光合速率 + 呼吸速率 有机物 (葡萄糖) 产生量 制造量 合成量 累积量/剩余量 增加量 净产生 消耗量 O2量 产生量 生成量 释放量 消耗量 利用量 黑暗下O2的吸收量) CO2量 固定量 利用量 消耗量 环境减少量 吸收量 释放量 植株/细胞/叶绿体？ 叶绿体？ 25 四、光合作用原理的应用之---测定光合速率 3.测定光合速率的3种方法： ⑴密闭装置法(也叫“黑白瓶法”） 装置甲黑暗条件下可测细胞呼吸速率，由于NaOH 溶液吸收CO2，所以单位时间红色液滴左移的距 离表示植物吸收O2速率，即呼吸速率。 乙装置在光照条件下植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。 实际/真正/总光合速率=表观/净光合速率+呼吸速率 忽略温度对气体膨胀的影响 如何排除其干扰呢? ①有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量为 ；白瓶中氧气的增加量为 ；二者之和为 。 【规律归纳】 ②没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有氧气量与黑瓶中测得的现有氧气量之差即 。 有氧呼吸量 净光合作用量 总光合作用量 总光合作用量 四、光合作用原理的应用之---测定光合速率 3.测定光合速率的3种方法： ⑵半叶法/称重法 遮光的一半测得的数据变化值： →代表呼吸作用强度值 曝光的一半测得的数据变化值： →代表净光合作用强度值 需进行实验前后数据比较，因此在实验前需进行______________。 叶片一半遮光，一半曝光（实验前需用适当的方法阻止有机物的转移） 叶片称重(ｍ0) 黑暗或光照处理后的叶片，测得重量ｍ1、ｍ2，光合强度为___________。 ｍ2-ｍ1 (ｍ0-ｍ1)＋(ｍ2-ｍ0) =ｍ2-ｍ1 呼吸消耗有机物的量： 净光合合成有机物的量： ｍ0-ｍ1 ｍ2-ｍ0 真光合合成有机物的量： 最后，还要考虑单位时间 和单位面积。 四、光合作用原理的应用之---测定光合速率 3.测定光合速率的3种方法： ⑶叶圆片称重法 以单位时间、单位面积叶片中有机物的变化量表示光合速率 呼吸速率＝(x－y)/2S 净光合速率＝(z－y)/2S (S为叶圆片面积) 总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S 代谢类型 同化作用 光能自养 6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O 光能 叶绿体 （光合作用） 化能自养 （化能合成作用） NH3 HNO2+能量 HNO3+能量 CO2+H2O （CH2O） 能量 硝化细菌 （硫细菌、铁细菌） 自养型 异养型 寄生、腐生、捕食 蓝藻：自养需氧型 乳酸杆菌：异养厌氧型 30 中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员及团队成员 物质变化： 能量变化： 光能 电能 化学能 科学报道“Science：我国实现二氧化碳到淀粉从头合成” 31 Lavf58.51.100 $$