2.1 C、H、O、N、P、S等元素组成复杂的生物分子（教学课件）生物沪科版必修1

该高中生物学课件围绕生物分子的元素组成，通过天问一号火星探测发现导入，以“火星有核心元素是否存在生命”为悬念，引导学生沿“元素-化合物-碳链骨架-生物大分子”逻辑链条探究，搭建结构化学习支架。 其亮点是以火星探测为主情境贯穿教学，对比地壳、细胞、火星土壤元素数据培养科学思维，组织球棍模型拼接活动落实探究实践，结合养生骗局辨析渗透社会责任。采用情境驱动与动手实践结合的方法，帮助学生建立生命物质性观念，教师可借助丰富素材提升教学效果。

C、H、O、N、P、S等元素组成复杂的生物分子 从火星探测看生命的物质基础丨沪科版高中生物必修1第2章第1节 演讲者：xxx老师 本节课核心素养目标 【生命观念】 【科学思维】 【探究实践】 【社会责任】 树立生命的物质性观念 ，理解生物界与非生物 界的统一性与差异性； 建立“碳是生命核心元 素”的结构与功能相适 应观念。 通过对比地壳、细胞、 火星土壤的元素数据， 归纳元素组成规律；推 理碳作为核心元素的逻 辑。 独立完成元素含量数据 的对比分析；通过球棍 模型建构小分子的碳链 结构。 结合知识辨析“养生骗 局”；关注我国航天探 测前沿进展，建立探索 生命起源的科学态度。 探索主线--寻踪火星生命密码 主情境：天问一号的发现：火星上发现了生命核心组成元素，是否证明火星存在生命? 分情境一：元素的统一性、特殊性与分类 元素的统一性、特殊性与分类 时空轨道 N S 分情境三：碳链为生物大分子的骨架 时空轨道 分情境二： 元素组成化合物 C 主情境：探秘火星生命之源 天问一号的重大发现 主情境素材：天问一号的重大科研突破 标题：天问一号着陆火星：土壤中的惊人发现 H (氢) C (碳) O (氧) P (磷) N (氮) S (硫) 正文： 探测时间：2021年12月 探测地点：火星乌托邦平原南部 核心发现：土壤样本中检测出多种地球生命组成的核心元素。 元素清单：C（碳）、H（氢）、O（氧）、N（氮）、P（磷）、S（硫） 背景补充：这六种元素在地球上构成了生命体97%以上的质量，是 构建蛋白质、核酸等生命大分子的基石。 演讲者：xxx老师 核心主问题：悬念开启 任务发布：让我们带着这个悬念，化身“星 际生物学家”，开启本节课的探究之旅！ 有生命大分子→必定孕育生命? 形成有机物 必定是生命大分子? 发现元素→必定形成有机物? 火星上发现了C、H、O、N、P、S等生命核心组成元素， 是否就能证明火星存在或曾经存在生命? 分情境一：元素的统一性、 特殊性与分类 地球与火星的跨星际对比 火星检测结果对比：元素从何而来? 火星土壤 地球地壳 检测到C、H、 存在C、H、O、 N等元素。 N等数十种元素。 N Si H N [0] [6] H e G AI AI Si A AI Al AI S A 火星土壤 M Pb C>H>O>N Si Pt Kn Si Al m tz 检测到C、H、 d7 Cu N等元素。 人体细胞 H 构成元素的种类与 A 地壳高度重合。 同源性 驱动问题：火星检测到的C、H、O、N等元素，在地球地壳和人体细胞中都存在， 没有一种元素是生命体所特有的，这体现了什么自然规律？ 深度探究：数据里的秘密丨三组数据的跨维度对比分析 O (氧) 48.60 65.0 40-50 26.30 15-25 Si (硅) 10.0 0.76 0.087 地壳 细胞 火星土壤 O（氧） 48.60 65.0 40-50 Si（硅） 26.30 trace/极少 15-25 C（碳） 0.087 trace/极少 18.0 H（氢） 0.76 10.0 trace/极少 一 地壳 一细胞 火星土壤 C (碳) 探究任务：请同学们以4人小组为单位，对比上述三组数据的元素种类和含量差异。 归纳规律一：元素的统一性 生命之树 Al S RMO CH, 大地分子网络 标题：生物界与非生物界的统一性 结论： 组成细胞的化学元素，在无机自然界（如 地壳、火星土壤）中都能找到，没有一种 化学元素是细胞所特有的。 内在逻辑： 生命起源于无机环境。 生命体是从无机自然界中获取元素来构建 自身的。 这证明了生物界与非生物界在物质基础上 具有高度的统一性。 生物界与非生物界的差异性（特殊性） 发现矛盾 细胞元素组成 硅（Si）在地壳中极多（26.3%），在细胞中极少。 在细胞中极多（18.0%）。 地壳元素组成 St AI Si Fe 结论：细胞与无机自然界的元素含量差异极大。这体现了生物界与非生物界的差异性（特殊性）。 核心推导：生命体不是简单地“打包”泥土，而是具有高度选择性地吸收元素来构建自身复杂的结构。 细胞内的元素家族：大量与微量 根据元素在生物体内的含量（万分之 一为界），可分为： 大量元素 含量占生物体总重量万分之一以上 代表：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等 作用：构建生命体的“主力军” 铁猛磁新木桶 0.01% 含量分界线 微量元素 含量占生物体总重量万分之一以下 作用：维持正常生命活动不可或缺的“催化剂” 微量元素记忆口诀 铁猛碰新木桶 认知辨析：“少”就是微量元素吗? 误区纠正：生物体内含量极少的元素，并不一定都是微量元素！ 必需微量元素：生命活动所必 需，缺乏会导致疾病（如Fe， Zn，I等）。 必需微量元素 体内微量元素准入系统 Zn 绿灯 Fe 健康 红灯 非必需元素 / 有害元素: 虽然在体内含量也很低， 但不仅不需要，甚至有 毒害。代表：Pb（铅）、 Hg（汞）、Cd（镉） 等重金属。 非必需元素 / 有害元素 结论：微量元素强调的是“必需且微量”！ 真实案例：微量元素的“红黑榜” 甲状腺 Pb 受损神经元 正面案例：碘（I）--必需微量元素 反面案例：铅（Pb）-- 非必需有害元素 现象：人体缺碘易患“地方性甲状腺肿”（大 脖子病）。 原因：碘是合成甲状腺激素的核心原料。 现象：儿童铅中毒会导致智力不可逆损伤。 原因：铅会破坏神经系统和造血功能，在体内 极难排出。 讨论问题：这两者在人体内含量都很低，为什么作用天差地别？（对应其是否参与细胞核心代谢反应） 元素是如何存在于细胞中的? 游离态/离子态 化合物形式 极少数 绝大多数 葡萄糖 合成物 H OH OH H OH C 生物大分子合成仪 N Na Na+ 蛋白质 Cl- C,H,O,N,P,S 结合成糖类、脂质、蛋白质和核酸。 如维持渗透压的 , (以离子态存在, 此处示意绝大多数结合过程) 承上启下思考 既然元素主要以化合物形式存在，那么火星上的C、H、O、N能形成像地球一样的生命化合物吗? 分情境二：元素组成化合物 破译物质组成之谜 标题：天问二号的后续推演：致命的缺水环境 新情境数据：火星表层土壤极度干燥，水冰含量仅为0.03%，大气压极 极低，液态水 无法稳定存在。 水冰含量0.03% 驱动问题： 有了生命的核心元素，就一定能形成生命相关的物质吗? 地球细胞中的元素，究竟主要构成了哪些化合物？水在其中占多大比例? 演讲者：xxx老师 深度探究：鲜重干重的化合物对决 细胞内的物质清单（化合物含量对比） 鲜重状态（自然状态） 干重状态（去除水分后） 蛋白质 (7%~10%) 脂质 糖类和核酸 关键发现： 鲜重中含量最多的化合物是水。 干重中含量最多的化合物是蛋白质。 为什么鲜重中含量最高的元素是O? 大前提：细胞鲜重中，含量 最多的化合物是水（）。 0 H H 小前提：水中氧元素的 质量分数高达 16/18 ≈ 89%。 C H N O (65%) C (18%) H (10%) N (3%) 结论推导：因此，在细胞鲜重 状态下，元素含量由多到少 排序必定受到水的绝对影响。 数据逻辑解析：干重中的元素排序 为什么干重中含量最高的元素是C? 结论推导 大前提 小前提 碳骨架 因此，在细胞干重状态 有机物大分子 下，碳元素跃升为含量 (主要是蛋白质) 最高的元素。 碳骨架 干重元素质量百分比排序： C (55.99%) > O (14.62%) > N(9.33%) >H (7.46%) 有机物脱水 构建生命大厦的四大生物分子 分组整理探究：四大有机物的元素组成异同 有机物（与微观结构图） C H O N P S 糖类 (生命的主要能源) ✓ ✓ ✓ 脂质 (细胞膜骨架等) ✓ ✓ ✓ 部分含N、 P 蛋白质 (生命活动的主要承担者) ✓ ✓ ✓ N 很多含S 核 酸 (遗传信息的携带者) ✓ ✓ ✓ 共性归纳：所有的生物大分子，全都含有 C、H、O 三种基本元素! 问题探讨：火星缺水的致命阻碍 火星水极度匮乏，意味着什么？ 探讨总结： 反应介质缺失：水是生化反应的最佳溶剂。没 有水，火星上的C、H、O、N等元素就像干枯 的沙子，无法有效发生化学反应。 大分子无法合成：地球上所有的生物大分子 （如蛋白质、核酸），其单体聚合成多聚体的 程，绝大多数都需要脱水缩合的参与，没有液 态水循环，这一过程极其困难。 生物大分子 H C N H H N 缺少水分子介质 没有水，有再多的核心元素，也难以拼装成生大分子。 分情境三： 碳链为生物大分子的骨架 寻根生命的核心构架 科学家模拟火星原始环境实验 实验背景：如果火星曾经有水，有了C、H、O、N、P、S，能自动变成生命吗? 疒玩素粗成：(V)、P，形成变成生命 实验现象：将这些元素置于适宜 的温度、压强环境中，仅能形成 氨基酸等简单的小分子有机物。 实验困境：无法自发形成复杂的 蛋白质、核酸等生物大分子! 驱动问题：有了元素和小分子有机 物，到底缺了什么关键机制，导 致没法形成生命所需的大分子? 动手探究：拼装生命的小分子 小组任务： 观察 观察要求： 探究 请使用提供的碳(黑)、氢(白)、氧(红)、氮(蓝) 球棍模型。 任务一：拼接1个葡萄糖分子 （任务一：拼接1个葡萄糖分子（模拟图）） 任务二：拼接1个氨基酸分子 （任务二：拼接1个氨基酸分子（模拟圈）） 葡萄糖骨格核心 葡萄糖分子 氨基酸分子 剥离外围的氢、氧、氮原子后，观察它们处于 核心位置的结构有什么共性? 第25页 观察发现：小分子的核心共性 揭秘核心：碳骨架的呈现 探究结论：无论是葡萄糖还是氨基酸，其核心结构都是由碳原子首尾相连构成的！ 这种结构被称为--碳链。 视觉剥离呈现： 0 H C C c C H C C C R 葡萄糖 → 核心是6个碳原子组成的碳环（特殊的碳链）。 氨基酸 → 核心是中心碳原子连接其他基团。 核心共性：每一个单体（小分子）都以若干个相连的碳原子构成的碳链为基本骨架。 化学结构决定功能: 碳原子最外层有4个电子。 它需要通过与其他原子共用电 子，形成4个共价键。 碳原子之间不仅能形成单键， 还能形成双键或三键。 结果: 这种多变性为构建种类繁多、结 构极其复杂的生物大分子提供了 最完美、最坚固的骨架。 结论：碳是生命的核心元素（没 有碳，就没有生命的大厦）。 C C 27 碳原子的“百搭”魔法 碳原子可以相互连接成长度不一 的直链、支链或环状结构。 碳链搭桥，单体聚合成大分子 单体 单体 具有碳链骨架的小分子 单体 (如氨基酸、葡萄糖、核苷酸) 单体 单体 单体 单体 OH OH 多聚体 OH HO OH OH 化学键 如蛋白质、多糖、核酸 =0.00 =0.000 碳是生命的核心元素，生 大分子形成的逻辑 物大分子以碳链为骨架。 生物大分子 碳原子的多变性 单体 ” 碳链 主问题回响：仅有核心元素=有生命? 核心问题：从火星探测看，具备了C、H、 N 、P、S等元素，就意味着有生命吗? C S 元素散沙 碳链骨架 (以碳为核心) 可能孕育生命 1993 生物大分子 (蛋白质、核酸) (基础材料) 最终结论：不能! 逻辑闭环总结： ① 发现 C、H、O、N、P、S只是具备了生命的基础材料。 ② 只有在适宜环境（如充足的水）下，这些元素以碳为核心， 形成碳链骨架。 ③ 进一步演化出蛋白质、核酸等生物大分子，才有可能孕育生命。 航天展望：未来的火星探测任务，寻找有机大分子和液态 水态水遗迹，才是判断生命是否存在的终极硬核证据！ 知识迁移：用科学武装头脑 社会责任：科学辟谣与航天科普 任务A（辨析养生骗局） 任务B（航天科普志愿者） 补充氢元素抗衰老 小组任务示例：用本节课知识辨析其 荒谬之处： 元素需形成特定大分子才有功能; 微量元素不可过量。 防癌 有机硒 过量危险 小组任务示例（面向初中生）： 写一段100字以内的“探火科普小贴 士”，解释为什么火星找到碳元素还 探火科普小贴士：火星上找到 碳元素只是第一步，它像是有机 大分子的乐高积木。但我们要证 明生命，还需要找到这些积木 是否拼成了生命大分子（如蛋 白质、核酸），并且找到了支持 这些反应的水，以及其他关键元 素，如氨、磷、硫。 航天科普志愿者 演讲者：xxx老师 本节核心知识体系构建 统一性（生物界元素来自地壳无 特有）；特殊性（含量差异大） 分类：大量（C/H/O/N/P/S等） 微量（Fe/Zn/I等）， 辨析必需与有害（Pb等） 存在形式：主要为化合物 分支一： 元素组成特点 分支二： 元素构成化合物 四大有机物：蛋白(C/H/O/N/S)、 核酸(C/H/O/N/P)、糖/脂质 (C/H/O) 鲜重含量：水最多，O>C>H>N 主问题导向：火星有核心元素 ≠ 有生命（需具备碳链骨架的大分子） 干重含量：蛋白质最多， C>O>N>H 分支三：碳链大分子骨架 碳是生命核心元素；单体以 碳链为骨架；连接 形成多聚体大分子 $