5.4光合作用与能量转化导学案 高中生物人教版必修1

5.4光合作用物质和能量的转换班级：姓名：【学习任务一】探究光合作用过程中氧气的生成资料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。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。资料2：1937年，英国植物学家希尔（R.Hill)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。资料3：1941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。资料4：1951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。讨论1：希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？讨论2：光合作用生成的O2中的氧元素到底来自H2O还是CO2？如何设计实验进行探究？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组别反应物生成物第一组第二组实验结论请同学们阅读资料1—资料3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。讨论3：希尔反应中谁是接受电子的氧化剂？讨论4：光反应中谁是最终接受电子的氧化剂？小结：物质变化：光合色素接受光能后，从水中抢夺电子，O元素电子被生成O2。电子经传递后被接受生成NADPH，生成的NADPH具有性。能量转化：光能→NADPH中的活跃化学能。【学习任务二】探究光反应的场所和条件资料1：研究者为探究上述过程发生的场所和条件，进行了下述实验操作。结果表明四只试管中只有1号有气泡产生，收集后可使点燃的卫生香复燃。从4只试管取样分别加入特定的氢离子受体（如2,6-D，一种氧化剂，蓝色染料，能被还原性物质还原成无色)，发现1号褪色。讨论1：从该实验能得出的结论，场所：类囊体(有色素)；条件：必须有光物质变化：水的光解产生氧气和H+资料2：20世纪50年代初，以塞维罗·奥乔亚（S.Ochoa）为代表的科学家们认为光合作用合成糖类需要的ATP来自于线粒体，尤其是因为在离体叶绿体悬浮液中加入32P标记的无机磷酸后没有观察到含放射性的ATP生成。资料3：科学家阿尔农认为，光合作用细胞的线粒体含量比叶绿体少得多，而光饱和时光合速率比呼吸速率高几十倍，如此少的线粒体如何提供光合作用需要的足量ATP？1954年，美国科学家丹尼尔·阿尔农（D.Arnon）发现，塞维罗·奥乔亚（S.Ochoa）制备的叶绿体悬浮液中的叶绿体并不完整。他改进了实验方法，制备类囊体悬浮液和叶绿体基质，当供给Pi、ADP时，会有ATP产生。同样方法处理四只试管，只有1号有ATP产生。在后续的实验中，阿尔农发现，若水的光解被抑制，叶绿体将不能产生ATP。讨论2：从该实验能得出的结论，ATP的合成场所：类囊体；合成条件：需光（酶）能量变化：光能→ATP中的活跃化学能阅读资料2和资料3的内容，完成下列示意图，阐述科学家证明叶绿体也能产生ATP的过程：【小组合作探究】尝试构建光合作用的光反应过程示意图:(上黑板演示)【学习任务三】光合作用中CO2如何合成糖类？资料1：1951-1960年，阿尔农通过一系列实验发现，在黑暗条件下，向叶绿体提取液（将叶绿体在水溶液中胀破，离心后取上清液）中加入NADPH，同时加入ATP后，NADPH将会被氧化成NADP+，叶绿体提取液中的3-磷酸甘油酸（三碳化合物，C3）被还原生成糖类。资料2：1945年卡尔文（Calvin）等人利用小球藻作实验材料，用10年的时间探索了CO2固定为糖的途径。实验使用放射性同位素14C作为追踪CO2的示踪物，将14C标记的14CO2通入照光的小球藻悬浮液，经过预先设定的时间之后，将悬浮液滴入乙醇中，把藻杀死以停止酶促反应。藻中的放射性化合物用纸层析进行分离，并用放射自显影显示后进行鉴定。结果发现照光60s后的放射层析谱非常复杂，无法检出CO2固定的最早中间产物（图1）。将光照时间缩短至5S左右，层析谱则简单得多，发现只有一个显著的斑点，已经证明它是一种三碳化合物14C3(3-磷酸甘油酸）（图2），后又检测到了含有放射性的五碳化合物（简称14C5）和六碳糖（14C6）。卡尔文发现在光照和CO2充足的条件下，C3、C5和糖类(CH2O)有如图3所示的关系。实验发现，在光照条件下，突然降低CO2的浓度，C3和C5含量如图4所示。如果光照下突然中断CO2供应，C3急剧减少而C5量增加，突然停止光照，C3浓度急速升高而C5的浓度急速降低。其他中间产物其他中间产物三碳化合物三碳化合物图25秒后图25秒后图160秒后图3图4讨论1：光合作用中ATP和NADPH如何被利用？阅读资料1，在阿尔农实验中，在条件下进行，被还原合成糖类，而ATP合成和水的光解必须在条件下进行，这提示我们光合作用可根据条件的不同分为

和阶段。阿尔农实验使用的叶绿体提取液在叶绿体中对应的场所应该是。讨论2：光合作用中CO2如何合成糖类？:阅读资料2，回答下列问题。①卡尔文用什么方法追踪C在光合作用中的去向？②通过图1和图2得到了什么实验结果？③请用文字描述图3所示的实验结果。④请用文字描述图4所示的实验结果。⑤尝试用箭头和形状建构C3、C5、CO2和（CH2O）之间的转化关系。【小组合作探究】尝试构建光合作用的暗反应过程示意图:(上黑板演示)【效果反馈】：问题1：请同学们思考整个光合作用过程中的物质变化和能量变化分别是什么？