高中生物人教版必修1《光合作用与能量转化》导学案

5.4光合作用物质和能量的转换

班级：姓名j_____________

【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，02被释

放,C与HzO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，在高体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其

他氧化剂(悬浮液中有H20,没有C02),在光照下可以释放出氯气。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.Kamcn)用同位素示踪的方法，研究了

,6,8,8

光合作用中氧气的来源。他们用O的同位素0分别标记H20和C。?使它们分别变成H2O

I8

和08()2。然后,进行了两组实验：第一组给植物提供比0和CO2,第二组给同种植物提

供H21so和C02,在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是02,第二组释放的

,8

都是O2O

资料41951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02中的氧元素到底来自HzO还是CCh?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

组别反应物生戊物

第一组

第二组

实验结论

请同学们阅读资料I一资料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0全部来自于H20O

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02。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I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：水的光解产水氧气和H+

资料2：20世纪5（）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.Amon）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I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:

奥乔亚的主张阿尔农的主张

【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，嘀心后取上清液）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）等人利用小球差作实验材料，用10年的时间探索了CC>2

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Re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CO?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"C3（3-磷酸甘油酸）（图2）,后又检测至1了含有放射性的五碳化合物（简称

,4

14c5）和六碳糖（C6）o

卡尔文发现在光照和CO2充足的条件下，C3、Cs和糖类（CH?。）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Cs含量如图4所示。如果光照下突

然中断C02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

3-PhosphogtycQratG

三碳化合物

图25秒后

图160秒后

(CH。l%COj:0.003%C0

2

放

射

性

强

度

时间

图3

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O

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？

co2-c3-c6

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、C02和（CH2。）之间的转化关系。

(CHQ)

【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