2024年高中生物新教材同步必修第一册 第5章 第4节　第2课时　光合作用的原理

第2课时光合作用的原理[学习目标]1.说明光合作用以及对它的认识过程。2.掌握光合作用过程中的物质变化和能量变化。1．光合作用的概念2．光合作用的反应式化学反应式：CO2＋H2Oeq\o(→,\s\up7(光能),\s\do5(叶绿体))(CH2O)＋O2。3．探索光合作用原理的部分实验时间/发现者内容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1937年希尔(英国)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1941年鲁宾、卡门(美国)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源，H218O＋CO2→植物→18O2，H2O＋C18O2→植物→O2，得出光合作用释放的氧全部来自水1954、1957年阿尔农(美国)在光照下，叶绿体可合成ATP，这一过程总是与水的光解相伴随4.光合作用过程(1)光反应阶段①条件：有光。②场所：类囊体薄膜。③物质变化a．将H2O分解为氧和H＋，其中H＋与NADP＋结合形成NADPH。b．使ADP和Pi反应形成ATP。④能量变化：将光能转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。(2)暗反应阶段①条件：有没有光都能进行。②场所：叶绿体基质。③过程(卡尔文循环)a．CO2的固定：C5＋CO2eq\o(→,\s\up7(酶))2C3。b．C3的还原：2C3eq\o(→,\s\up7(酶),\s\do5(ATP、NADPH))(CH2O)＋C5。④能量变化：NADPH、ATP中活跃的化学能变为有机物中稳定的化学能。(3)光反应与暗反应之间的联系光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP＋。判断正误(1)植物在夜晚不能进行光反应，只能进行暗反应()(2)光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜()(3)光合作用中ADP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜()(4)光合作用过程中产生的ATP可以为细胞内的各项生命活动提供能量()(5)14CO2中14C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)()答案(1)×(2)×(3)√(4)×(5)×解析(1)光反应阶段必须是在有光条件下进行，而暗反应阶段在有光无光条件下都能进行，但需光反应提供NADPH和ATP，故暗反应不能长期在无光环境中进行。(2)光反应为暗反应提供ATP、NADPH，ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。(3)暗反应为光反应提供ADP和Pi，ADP从叶绿体基质移向类囊体薄膜。(4)光合作用的光反应阶段产生的ATP只能用于暗反应，不用于其他生命活动。(5)14CO2中14C的转移途径是14CO2→14C3→(14CH2O)＋14C5。任务：分析光合作用原理的探索实验1．建构概念——光反应资料11937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O2。(1)根据资料1，尝试补充完整希尔的实验表达式。提示(2)希尔实验可以证明O2来自H2O，能否确定O2全部来自H2O?提示不能，该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到O元素的转移。(3)若要证明氧气全部来自H2O或CO2，可采用什么方法？提示可以采用同位素示踪法，用18O分别标记H2O和CO2进行实验。资料21941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O2的来源，他们用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：(4)推测该实验的实验结果和结论。提示实验结果：A为O2，B为18O2；实验结论：该实验可以证明光合作用产生的O2来自H2O，不来自CO2。资料31954年，美国科学家阿尔农等用游离的叶绿体做实验。在给叶绿体光照时发现，当向反应体系供给ADP、Pi时，体系中就会有ATP的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。(5)根据该实验你可以得出什么结论？提示光照条件下，水光解的同时ADP和Pi合成ATP。2．建构概念——暗反应资料1光合作用的产物除了O2，还有糖类等有机物。20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻作实验材料，利用同位素示踪法追踪了CO2中C的转移路径。实验处理为光照、提供14CO2；不同时间(几十秒内、几秒内、1秒以内)把小球藻放入煮沸的酒精中，立刻杀死小球藻再用纸层析分离，最后鉴定放射性物质，结果为：①向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30秒后检测产物，14C分布于多种化合物中，有C3、C5、C6等化合物。②在光照5秒后，卡尔文检测到含有放射性的五碳化合物(C5)和六碳糖(C6)。③光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物(C3)中。(1)请据上述结果大致描述出CO2转化成有机物的过程中C的转移途径。提示如图所示资料2卡尔文又通过实验发现如果光照下突然中断CO2供应，C3急剧减少而C5增加。(2)根据卡尔文的两个实验推测C3与C5之间的关系。提示C3与C5之间是相互循环的。资料31954年，美国科学家阿尔农的离体叶绿体实验过程及结果如下：组别条件过程现象1黑暗提供CO2、NADPH、ATP产生(CH2O)2黑暗提供CO2，不提供NADPH、ATP不产生(CH2O)3光照提供CO2，不提供NADPH、ATP产生(CH2O)(3)通过对该实验的分析，你可以得出什么结论？提示CO2转化成(CH2O)需要光反应提供的ATP和NADPH。3．列表比较光反应与暗反应之间的区别和联系比较项目光反应阶段暗反应阶段区别反应场所叶绿体的类囊体薄膜上叶绿体的基质中反应速度较快较缓慢与光的关系必须在光下进行不需要叶绿素和光，需要多种酶物质变化①水的光解：H2Oeq\o(→,\s\up7(光),\s\do5(色素))2H＋＋eq\f(1,2)O2＋2e－②NADPH的合成：NADP＋＋2H＋＋2e－eq\o(→,\s\up7(酶))NADPH＋H＋③ATP的合成：ADP＋Pi＋能量eq\o(→,\s\up7(酶))ATP①CO2的固定：CO2＋C5eq\o(→,\s\up7(酶))2C3②C3的还原：2C3eq\o(→,\s\up7(酶),\s\do5(ATP、NADPH))C5＋(CH2O)③ATP的水解：ATPeq\o(→,\s\up7(酶))ADP＋Pi＋能量④NADPH的分解：NADPHeq\o(→,\s\up7(酶))NADP＋＋H＋＋2e－能量变化光能→ATP和NADPH中活跃的化学能ATP和NADPH中活跃的化学能→糖类等有机物中稳定的化学能联系①两个反应阶段相辅相成，密切联系：光反应是暗反应的基础，光反应为暗反应提供NADPH和ATP；暗反应推动光反应，暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋；②没有光反应，暗反应因缺乏NADPH和ATP而无法进行；暗反应受阻，光反应因产物积累也不能正常进行。可见，二者相互制约1．光反应的过程如图为放大的类囊体薄膜结构的模式图。PSⅡ和PSⅠ是色素和一些蛋白形成的色素复合体，上面的色素可以吸收光能，分解水产生氧气、氢离子和电子，有的膜蛋白用来传递氢离子，造成膜两侧氢离子具有浓度差；有的膜蛋白传递电子给NADP＋，在某种膜蛋白的催化下合成NADPH；还有的膜蛋白是ATP合成酶，利用膜两侧的氢离子浓度差催化合成ATP。同时，光能转变成的化学能就储存在了ATP和NADPH中。2．光合作用过程中元素的转移途径(1)光合作用过程中O元素的转移途径H2eq\o\al()18O→18O2；C18O2→C3→(CH2eq\o\al()18O)。(2)光合作用过程中C元素的转移途径14CO2→14C3→(14CH2O)＋14C5。3．来源—去路法分析物质含量的变化(1)如图中Ⅰ表示光反应，Ⅱ表示CO2的固定，Ⅲ表示C3的还原。当外界条件(如光照、CO2)突然发生变化时，分析相关物质含量在短时间内的变化：(2)光合作用过程中相关物质的变化规律1．希尔从细胞中分离出叶绿体，并发现在没有CO2时，给予叶绿体光照，就能放出O2，同时使电子受体还原。希尔反应是：H2O＋氧化态电子受体→还原态电子受体＋1/2O2。在希尔反应的基础上，阿尔农又发现在光下的叶绿体，不供给CO2时，既积累NADPH也积累ATP；进一步实验，撤去光照，供给CO2，发现NADPH和ATP被消耗，并产生有机物。下列关于希尔反应和阿尔农发现的叙述，不正确的是()A．光合作用释放的O2来自水而不是CO2B．NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体的薄膜上C．希尔反应与CO2合成有机物的过程是两个过程D．光合作用的光反应过程为CO2合成有机物提供ATP和NADPH答案B解析从希尔反应和阿尔农发现，得不到信息：NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体的薄膜上，B错误。2．如图是光合作用过程的图解，其中A～G代表物质，a、b、c代表生理过程。下列相关叙述错误的是()A．图中a过程发生在类囊体薄膜上B．若光照突然停止，短时间内叶绿体中F的含量会增加C．c过程是CO2固定，发生在叶绿体基质中D．E接受C和NADPH释放的能量并被NADPH还原答案B解析F为C5，若光照突然停止，光反应停止，ATP和NADPH减少，C3的还原减弱，形成的C5减少，CO2量不变，CO2固定过程消耗的C5不变，短时间内叶绿体中C5的含量会减少，B错误。题组一光合作用的概念及探索光合作用原理的部分实验1．将一株质量为20g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中，一段时间后植株达到40g，其增加的质量来自()A．水、矿质元素和空气B．光、矿质元素和水C．水、矿质元素和土壤D．光、矿质元素和空气答案A解析黄瓜幼苗可以吸收水，增加鲜重；也可以从土壤中吸收矿质元素，合成相关的化合物；也可以利用大气中的二氧化碳进行光合作用制造有机物增加细胞干重。植物通过光合作用将光能转化成了有机物中的化学能，并没有增加黄瓜幼苗的质量，故黄瓜幼苗在光照下增加的质量来自水、矿质元素、空气。综上所述，A项符合题意。2．(2023·北京八中高一期末)1937年，植物学家希尔将叶绿体分离后置于试管中，加入1%的DCPIP(DCPIP是一种可以接受氢的化合物，被氧化时是蓝色，被还原时是无色的)后，将试管置于光下，发现溶液由蓝色变成无色并放出O2，以上实验证明了()A．光合作用产生的O2来自H2OB．光合作用的过程中能产生还原剂和O2C．光合作用的光反应在类囊体上进行D．光合作用的暗反应在叶绿体基质中进行答案B解析判断光合作用产生的O2的来源需用同位素示踪法，本实验无法判断光合作用产生的O2的来源，A错误；溶液由蓝色变成无色，说明产物中有还原态氢，并放出O2，故说明光合作用的过程中能产生还原剂和O2，B正确；本实验不能判断光合作用的光反应和暗反应的场所，C、D错误。题组二光合作用的原理3．在实验室中，如果要测定藻类植物是否完成光反应，最好是检验其()A．氧气的释放量 B．ATP的生成量C．二氧化碳的消耗量 D．糖类的合成量答案A解析光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段，光反应是指植物利用光能，将光能转变成ATP和NADPH中活跃的化学能，为暗反应提供能量，产生氧气，氧气易于检测，A正确、B错误；光合作用的暗反应实质是一系列的酶促反应，消耗二氧化碳并生成糖类，故检测二氧化碳的消耗量及糖类的合成量更适于测定是否完成暗反应，C、D错误。4．(2023·浙江宁波高一期末)在高等植物光合作用的暗反应中，催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco。下列相关叙述正确的是()A．Rubisco存在于叶绿体基粒片层上B．Rubisco催化C5和CO2结合C．Rubisco需要在黑暗条件下发挥作用D．Rubisco催化反应消耗ATP答案B解析催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco，该过程发生在叶绿体基质中，据此可推测，该酶存在于叶绿体基质中，A错误；CO2固定在有光、无光条件下都可以进行，所以Rubisco不需要在黑暗条件下发挥作用，C错误；Rubisco催化CO2固定不消耗能量，所以不需要ATP，D错误。5．如图表示绿色植物光合作用部分过程的图解，下列分析错误的是()A．该过程不需要光，发生的场所为叶绿体基质B．细胞呼吸过程中也产生物质A，同样具有还原剂的作用C．CO2中碳原子的转移途径是CO2→C3→糖类＋C5D．突然降低CO2浓度，短时间内C5的含量上升答案B解析该过程是光合作用的暗反应阶段，不需要光，发生的场所为叶绿体基质，A正确；细胞呼吸中产生的[H]实际上是还原型辅酶Ⅰ(NADH)，光合作用中产生的是还原型辅酶Ⅱ(NADPH)，B错误；暗反应中CO2首先被C5固定生成C3，C3再被还原生成(CH2O)和C5，故CO2中碳原子的转移途径是CO2→C3→(CH2O)＋C5，C正确；突然降低CO2浓度，C5的消耗量降低，而C5的合成量不变，所以短时间内C5的含量上升，D正确。6．光合作用过程包括光反应和暗反应，如图表示光反应与暗反应的关系，据图判断，下列叙述不正确的是()A．光反应为暗反应提供ATP和NADPHB．停止光照，叶绿体中ATP和NADPH含量下降C．ATP的移动方向是由类囊体薄膜到叶绿体基质D．植物在暗处可大量合成(CH2O)答案D解析植物在暗处，由于没有光照，产生的ATP和NADPH不足，导致暗反应产生的(CH2O)减少，D错误。7．CO2供应不足最终可影响到绿色植物释放O2减少，以下叙述中最直接的原因是()A．CO2供应不足使固定形成的C3减少B．C3还原所消耗的ATP和NADPH减少C．ATP和NADPH减少使光反应分解水减少D．ADP、Pi、NADP＋减少使光反应分解水减少答案D解析根据光合作用过程可知，CO2供应不足，C3减少，光反应积累的NADPH和ATP的量相对增多，细胞中ADP、Pi、NADP＋相应地减少，光反应能力下降，分解水减少，释放O2减少。8．在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是()A．红光，ATP减少B．红光，未被还原的C3增多C．绿光，NADPH减少D．绿光，C5增多答案C9．如图表示某生物膜结构及其发生的部分生理过程，下列叙述错误的是()A．图中膜结构表示叶绿体内膜，B侧为叶绿体基质B．图示过程的能量变化是光能转变成ATP和NADPH中活跃的化学能C．甲表示色素分子，其中类胡萝卜素主要吸收蓝紫光D．图示光反应部分过程，水分解为氧和H＋的同时还产生电子答案A解析图示为叶绿体的类囊体薄膜，A侧为叶绿体基质，A错误；图示过程为光反应，能量变化是光能转变成ATP和NADPH中活跃的化学能，B正确；甲表示色素分子，其中叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，C正确。10．如果某植物正常进行光合作用时，其叶绿体中NADPH的含量相对稳定，现如图在a点时突然停止供给CO2，则能表示该植物叶绿体中NADPH含量变化的曲线是()答案B解析根据光合作用的反应过程，如果突然停止供给CO2，暗反应受到抑制，NADPH的消耗量减少；但光反应正常进行，NADPH的产生速率不变，故NADPH的量增多。随着时间延长，由于叶绿体内部因素的限制，NADPH含量达到最大后将不再增加。11．(2022·江苏海头高级中学高一期末)在光合作用的探究历程中，人们利用离体的叶绿体进行实验，逐渐探明了水的光解和NADPH的产生过程，如图所示(e－为负电子)。下列分析正确的是()A．完成过程①需要叶绿体色素，有无光照都可进行B．过程②发生在类囊体薄膜上并存在能量的转换C．NADPH进入叶绿体基质并参与合成C3的反应D．自养生物细胞的过程①②均发生在叶绿体中答案B解析过程①是水在光下分解，需要叶绿体中的色素分子吸收的光能，故此过程必须在光照环境下才能发生，A错误；过程②表示NADPH的形成，发生在类囊体薄膜上，同时此过程把光能转化成化学能储存在NADPH中，B正确；暗反应过程中，NADPH进入叶绿体基质并参与C3的还原反应，C错误；过程①②不一定在叶绿体中进行，如自养生物蓝细菌为原核生物并没有叶绿体，也能发生过程①②，D错误。12．科学家往小球藻培养液中通入14CO2后，分别给予小球藻不同时间的光照后检测放射性物质的分布情况，结果如表所示。实验组别光照时间(s)放射性物质分布12大量3－磷酸甘油酸(三碳化合物)220多种磷酸化糖类360除上述多种磷酸化糖类外，还有氨基酸、有机酸等根据上述实验结果分析，下列叙述错误的是()A．本实验利用小球藻研究的是光合作用的暗反应阶段B．每组实验照光后需对小球藻进行处理使酶失活，才能测定放射性物质的分布C．CO2进入叶绿体后，最初形成的主要物质是多种磷酸化糖类D．实验结果说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等答案C解析CO2进入叶绿体后，首先与C5生成3－磷酸甘油酸(三碳化合物)，C错误。13．(2023·河北邯郸高一期末)大豆与根瘤菌是互利共生关系，如图所示为大豆叶片及根瘤中部分物质的代谢、运输途径。据图分析，下列有关叙述不正确的是()A．催化PGA合成的酶存在于叶绿体类囊体中，催化TP合成蔗糖的酶存在于细胞质基质中B．根瘤菌固氮产生的NH3可用于氨基酸的合成C．叶绿体中合成ATP的能量来自光能，根瘤中合成ATP的能量主要源于糖类的分解D．大多数植物长距离运输的主要有机物是蔗糖而不是葡萄糖，原因之一是蔗糖是非还原糖，性质较稳定答案A解析催化PGA(C3)合成的酶存在于叶绿体基质中；CO2进入叶绿体基质形成PGA，然后PGA被还原形成TP，TP被运出叶绿体，在细胞质基质中TP合成为蔗糖，由此可知，催化TP合成蔗糖的酶存在于细胞质基质中，A错误；光合作用的光反应阶段，叶绿体中的色素吸收光能，将ADP和Pi合成为ATP；根瘤菌与植物共生，从植物根细胞中吸收有机物，主要利用糖类作原料进行细胞呼吸，释放能量，合成ATP，C正确；葡萄糖是单糖，而蔗糖是二糖，以蔗糖作为运输物质，其溶液中溶质分子个数相对较少，渗透压相对稳定，且蔗糖为非还原糖，性质较稳定，D正确。14．光合作用的过程是许多科学家通过系列研究逐步揭示的。请回答下列问题：(1)叶绿体是植物光合作用的场所，人们在电镜下观察叶绿体，可以发现叶绿体由双层膜包被，内部有许多圆饼状的囊状结构堆叠而成的__________，吸收光能的________就分布在类囊体的薄膜上。(2)氧气能与肌红蛋白可逆结合，并且非常灵敏，可用于定量测定微量氧。科学家打碎植物细胞，在叶片匀浆—肌红蛋白系统(含离体叶绿体)中加入Fe3＋或其他氧化剂，然后照光，观察到了氧合肌红蛋白的光谱变化，说明光照下产生了__________。上述系统中有H2O，但没有CO2，推测水的光解与CO2消耗的过程可能相对独立。(3)科学家进一步用离体叶绿体进行实验，实验组用CO2固定抑制剂处理，对照组不做处理，测定得到如图所示结果。①据实验结果可知，实验组虽然_____________________________________________________几乎被完全抑制，但氧气产生量__________________，由此可判断___________