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第三章第二节 光合作用——光能的捕获和转换
内容索引0102基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升
课程标准1.阅读教材分析科学家对光合作用的发现及研究过程,形成光合作用的基本概念。2.说出叶绿体中的光合色素的种类和作用,简述光合色素的吸收光谱。3.学会提取和分离叶绿体中光合色素的方法。4.基于对叶绿体结构的认识,掌握光反应、暗反应的场所、条件和物质变化。5.基于对光合作用光反应和暗反应的物质变化的理解,掌握光反应、暗反应阶段的能量转化。
基础落实•必备知识全过关
知识点一解开光合作用之谜1.光合作用的探究历程时间、科学家实验过程及现象实验结论2000多年前,亚里士多德观察、推测是植物生命活动的源泉17世纪,比利时,海尔蒙特用定量方法研究植物的营养来源:在盛有一定量土壤的木桶中,栽种柳苗,浇足水,柳苗逐渐长大树木只要有,就能生长发育1779年,荷兰,英格豪斯把带叶的枝条放入水里,这些叶在下产生气体,在处并不产生气体植物需要才能产生气体土壤水阳光黑暗阳光
淀粉同位素标记水
时间、科学家实验过程及现象实验结论1948年,美国,卡尔文用14C标记的,供小球藻进行光合作用,然后追踪检测其放射性(同位素标记法)发现被用于合成糖类等有机物的途径CO2CO2
2.恩格尔曼的实验(1)实验材料:和。(2)过程及现象水绵好氧细菌水绵好氧细菌没有空气极细光下被光束照射到的叶绿体聚集现象所有的受光红光区蓝光区
(3)结论:叶绿体中含有能有效地吸收利用和的物质,这些物质吸收的光与绿叶在光下产生氧气有关。红光蓝光
知识点二提取和分离叶绿体中的光合色素1.原理:等有机溶剂能溶解绿叶中的各种光合色素;色素在层析液中的不同,因而在滤纸上的也有差异。2.实验中一些材料的用途(1)无水乙醇:。(2)二氧化硅:。(3)碳酸钙:。(4)层析液:。无水乙醇溶解度扩散速度溶解色素有助于充分研磨防止叶绿素分子被破坏分离色素
3.结果胡萝卜素橙黄叶黄素蓝绿叶绿素b
知识点三光合作用的过程1.场所:。2.过程(1)光反应①场所:。②是否需要光:是。③物质变化:水裂解为和,将ADP和Pi合成。反应式为2H2O4[H]+。④能量变化:转变为ATP中活跃的。反应式为。叶绿体叶绿体的类囊体膜上O2[H]ATPO2光能化学能ADP+Pi+能量ATP
(2)暗反应①场所:。②是否需要光:有光、无光均可。③物质变化a.CO2的固定:一分子CO2与一分子五碳化合物结合形成二分子,反应式为C5+CO22C3。b.C3的还原:三碳化合物被还原为,储存能量。反应式为2C3+[H](CH2O)+C5。④能量变化:中活跃的化学能转变为中稳定的化学能。叶绿体的基质中三碳化合物糖类ATP糖分子
3.总反应式。4.概念:绿色植物细胞中的从太阳光中捕获能量,并将这些能量在转变为糖和的过程中,转换并储存为糖分子中化学能的过程。5.实质:合成糖分子,储存能量。CO2+H2O(CH2O)+O2叶绿体CO2和H2OO2
结论语句辨一辨(1)分离色素时,在层析液中溶解度越高的,则在滤纸条上的扩散速度越慢。()(2)研磨绿叶时,要加入二氧化硅、碳酸钙和无水乙醇。()(3)色素分离后,滤纸条上从上而下的四条色带分别是叶黄素、胡萝卜素、叶绿素a和叶绿素b。()(4)叶绿素和类胡萝卜素都主要吸收蓝紫光和红光。()(5)叶绿体是通过基粒中的类囊体膜扩大生物膜面积的。()(6)光反应阶段发生在叶绿体内膜和类囊体膜上。()(7)光反应过程中合成了ATP,需要的能量来源于细胞呼吸分解的有机物。()×√××√××
(8)光反应的进行不需要任何酶的参与。()(9)光反应为暗反应提供[H]和ATP。()(10)在离体的叶绿体基质中添加[H]、ATP和CO2后,可以完成暗反应。()×√√
重难探究•能力素养全提升
主题一光合作用原理的探索实验分析情境探究阅读科学家对光合作用的探究过程,了解人们对光合作用认识的过程。1.实验一:1937年,英国剑桥大学的希尔用离体的叶绿体做实验。他将离体的叶绿体加到具有H受体(能与H+结合为[H])的水溶液中,在无CO2的条件下给予光照,发现叶绿体中有O2放出。该实验说明了什么?答案叶绿体在有H受体的水溶液中经光照可产生O2。
2.实验二:科学家在黑暗条件下把叶绿体基粒放在pH=4的缓冲溶液中,让基粒类囊体膜腔的pH下降至4,然后将基粒移入pH=8且含有ADP和Pi的缓冲溶液中(如下图)。一段时间后,有ATP产生。上述实验结果表明,基粒类囊体合成ATP的原因是膜内外存在。据此推测,叶绿体在自然状态下产生ATP的过程中,光能的作用是使水分解产生,使类囊体膜内外之间产生。H+梯度(H+浓度差)H+H+梯度
3.实验三:下图是利用小球藻进行光合作用实验的示意图,图中A物质和B物质的相对分子质量之比是。8∶9
4.实验四:20世纪40年代,卡尔文将小球藻装在一个密闭容器中,通过一个通气管向容器中通入CO2,通气管上有一个开关,可控制CO2的供应,容器周围有光源,通过控制电源开关可控制光照的有无。
他向密闭容器中通入14CO2,当反应进行到5s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,上述实验中卡尔文等是通过控制来探究CO2中碳原子转移路径的,采用了等技术方法,实验结果说明CO2中C的转移路径是(请用“→”表示)。卡尔文及其同事们在实验过程中发现,在有光照和CO2供应的条件下,C3和C5的浓度很快达到饱和并保持稳定。但是,当改变其中一个实验条件后,二者的浓度迅速出现了规律性的变化:停止CO2供应时,C3的浓度急速降低,C5的浓度急速升高。停止光照时,C3的浓度急速升高,C5的浓度急速降低。由此可见C3和C5之间的关系是(请用箭头表示)。反应时间同位素标记法CO2→C3→C5、C6
方法突破1.萨克斯实验(1)实验过程(2)实验分析①设置了自身对照,自变量为光照,因变量是叶片颜色的变化。②实验的关键是饥饿处理,使叶片中的淀粉消耗掉,避免对实验结果产生干扰。③本实验除了证明光合作用的产物是淀粉,还证明了光照是光合作用的必要条件。
2.鲁宾和卡门实验(1)巧妙之处:两组实验相互对照直观地表现出O2来自H2O中的氧,而不是来自CO2中的氧。(2)自变量为被标记的C18O2H218O,因变量是O2的种类。
3.卡尔文循环(1)探究方法——同位素标记法用14C标记CO2,追踪检测放射性,探明了CO2被用于合成糖类等有机物的途径。(2)结论碳的转化途径:14CO2+C5→14C3→(14CH2O)。【易错提醒】(1)鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照(通过标记不同的物质:H218O与C18O2)。(2)鲁宾、卡门和卡尔文用的实验方法为同位素标记法。(3)还原剂[H]是指还原型辅酶Ⅱ(NADPH),由氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)接受电子和H+形成。
探究应用1.下列关于光合作用的发现史的叙述,错误的是()A.英格豪斯的实验证明了绿叶需要阳光制造气体B.萨克斯的实验也可证明光是光合作用的必要条件C.恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量D.鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用产生的O2来自H2OC解析英格豪斯的实验证明了绿叶在阳光下可以产生气体,A项正确;萨克斯的遮光实验除了证明光合作用的产物是淀粉,也可证明光是光合作用的必要条件,B项正确;恩格尔曼的实验证明光合作用的场所在叶绿体,但没有做定量分析,C项错误;鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用产生的O2来自H2O,D项正确。
2.下图表示德国科学家萨克斯的实验,叶片光照24h后,经脱色并用碘蒸气处理,结果有锡箔覆盖的部位不呈蓝色,而不被锡箔覆盖的部位呈蓝色。本实验证明()①光合作用需要二氧化碳②光合作用需要光③光合作用需要叶绿素④光合作用放出氧气⑤光合作用产生淀粉A.①②B.③④C.②⑤D.①③C
解析光照一段时间,叶片裸露的部分进行光合作用,叶片经脱色后用碘蒸气处理变蓝,说明有淀粉生成;有锡箔覆盖的位置因无光照,不能进行光合作用,未产生淀粉,用碘蒸气处理不变蓝,说明光合作用需要光。
3.卡尔文等于1949年采用放射性同位素自显影技术对光合作用进行研究。以下是他们研究过程的简述:往小球藻培养液中通入14CO2,分别给予小球藻不同的光照时间后立即杀死小球藻。从培养液中提取产生的放射性物质进行分析,结果如下表所示。实验组别光照时间/s放射性物质分布12012种磷酸化糖类260除上述12种磷酸化糖类外,还有氨基酸、有机酸等32大量3-磷酸甘油酸
请根据上述实验资料分析,下列选项错误的是()A.本实验原料只有CO2,暗反应的产物是有机物B.CO2进入叶绿体后,最初形成的主要物质是3-磷酸甘油酸C.实验结果还说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、有机酸等D.从CO2进入叶绿体到产生有机物的整个过程来看,产生的有机物主要是磷酸化糖类A解析从实验结果中放射性物质出现的时间分析,CO2进入叶绿体后,最早出现在3-磷酸甘油酸中,因此最初形成的主要物质是3-磷酸甘油酸,然后又形成磷酸化糖类,还有氨基酸、有机酸等。参与光合作用的原料主要有CO2和H2O。
主题二提取和分离叶绿体中的光合色素及色素对光的吸收情境探究1.下图是提取和分离叶绿体中光合色素的实验步骤,请分析回答下列问题。
(1)提取色素时,加入剪碎的叶片后还需要加入三种物质,若A是二氧化硅,B、C分别是什么?A、B、C各起什么作用?答案A是二氧化硅,作用是使研磨更充分;B是碳酸钙,作用是防止研磨中叶绿素分子被破坏;C是无水乙醇,作用是溶解色素。(2)某实验小组得到的色素提取液颜色过浅,可能的原因有哪些?答案研磨不充分,色素未能充分提取出来;称取绿叶过少或加入无水乙醇过多,色素溶液浓度小;未加碳酸钙或加入过少,部分叶绿素分子被破坏。(3)制备滤纸条时,剪去两角的作用是什么?画滤液细线有什么要求?答案防止色素带不整齐。画滤液细线的要求是细而直,还要重复画几次。(4)色素分离时,关键应注意层析液不要没及滤液细线,为什么?答案滤液细线会被层析液溶解,导致色素不能分离。
(5)下图是分离到的色素在滤纸条上的分布情况,那么:①含量最多和最少的色素分别是。②在层析液中溶解度最高和最低的色素分别是。③分子结构最相似的两种色素是。叶绿素a和胡萝卜素胡萝卜素和叶绿素b叶绿素a和叶绿素b
2.1883年德国生物学家恩格尔曼用巧妙的实验研究了光合作用的光谱。他将可见光透过三棱镜产生的光谱投射到丝状绿藻上,并在丝状绿藻的悬液中放入一些好氧细菌,然后在显微镜下观察细菌在丝状绿藻各个部分的聚集情况。实验结果如下图所示。
(1)该实验选择好氧细菌作为实验材料,有什么优点?答案用好氧细菌可确定释放氧气的部位。(2)三棱镜产生的光谱投射到丝状绿藻上,好氧细菌的分布是怎样的?这说明什么?答案好氧细菌聚集较多的部位表示氧气的浓度高,即该部位丝状绿藻的光合作用强度高。从好氧细菌大量聚集的区域可以看出,光合作用主要利用的光谱为红光区和蓝紫光区。(3)如果将该丝状绿藻长期放在500~550nm波长的光下照射,丝状绿藻将会不能存活,这说明什么?答案500~550nm为绿光区,绿光极少被光合色素吸收,绿藻光合作用极弱(或不能进行光合作用)。
方法突破1.光合色素的分布和功能(1)分布:叶绿体类囊体膜上。(2)功能:吸收、传递光能(四种色素),转化光能(只有少量特殊状态的叶绿素a)。2.光合色素种类、含量和吸收光谱(1)从色素带的宽度可知,色素含量依次为:叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。(2)从色素带的位置可知,在层析液中的溶解度大小依次为:胡萝卜素>叶黄素>叶绿素a>叶绿素b。
(3)色素的吸收光谱光合色素种类吸收光吸收光谱图示叶绿素(含量约占3/4)叶绿素a吸收红光和蓝紫光叶绿素b类胡萝卜素(含量约占1/4)胡萝卜素吸收蓝紫光叶黄素
【特别提醒】1.叶绿体中光合色素的提取和分离实验中异常现象分析异常现象原因分析收集到的滤液绿色过浅①未加二氧化硅,研磨不充分;②使用放置数天的菠菜叶,滤液色素(叶绿素)太少;③一次加入大量的无水乙醇,提取浓度太低(正确做法:分次加入少量无水乙醇);④未加碳酸钙或加入过少,部分色素分子被破坏滤纸条色素带重叠①滤液细线不直;②滤液细线过粗滤纸条无色素带①忘记画滤液细线;②滤液细线接触到层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中
2.光合作用中的色素(1)镁是合成叶绿素a和叶绿素b的必需元素。(2)叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,用于光合作用的光反应过程。(3)叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同。(4)叶绿素不能有效地吸收绿光,绿光被反射出去,使植物呈现绿色。
探究应用1.采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验,下列叙述错误的是()A.提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂B.研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏C.研磨时添加二氧化硅有助于色素提取D.画滤液细线时应尽量减少样液扩散B解析色素易溶于有机溶剂,故用无水乙醇作为溶剂来提取,A项正确。研磨时加入CaCO3而非CaO,B项错误。研磨时加入二氧化硅,有助于研磨充分,有助于色素的提取,C项正确。为了得到整齐的色素带,滤液细线尽量细、齐,D项正确。
2.下列有关叶绿体色素提取和分离实验的叙述,错误的是()A.利用纸层析法分离叶绿体中的色素B.研磨过程中应加入少许二氧化硅和碳酸钙C.色素分子的大小不同,在滤纸条上的扩散速度不同D.秋天枯黄的落叶的分离结果是滤纸条下端的蓝绿、黄绿色素带不明显C解析利用纸层析法分离叶绿体中的色素,所用的溶液为层析液,提取色素利用无水乙醇,A项正确;研磨过程中应加入少许碳酸钙,可以保护色素,加入二氧化硅有助于充分研磨,B项正确;色素分子在层析液中的溶解度不同,在滤纸条上的扩散速率不同,溶解度大的扩散得快,溶解度小的扩散得慢,C项错误;秋天枯黄的落叶叶片中,叶绿素a和叶绿素b含量减少,因此分离结果是滤纸条下端的蓝绿、黄绿色素带不明显,D项正确。
3.下图为用分光光度计测定叶片中两类色素吸收不同波长光波的曲线图,请判定A和B分别为何种色素()A.叶绿素、类胡萝卜素B.类胡萝卜素、叶绿素C.叶黄素、叶绿素D.叶绿素a、叶绿素bA解析叶绿素能吸收短波的蓝紫光和长波的红光,类胡萝卜素主要吸收短波的蓝紫光。
4.下图为正常绿色植物叶绿素a的吸收光谱、光合色素总吸收光谱以及光合作用的作用光谱(作用光谱代表各种波长下植物的光合作用效率)。以下对该图分析错误的是()A.图示表明叶绿素a主要吸收红光和蓝紫光B.总吸收光谱代表叶绿体4种色素对光能的吸收C.图示表明只有叶绿素a吸收的光能才能用于光合作用D.总吸收光谱与作用光谱基本一致,说明光合色素吸收的光能都能参加光合作用C
解析图示中,叶绿素a的吸收值有两个波峰,主要集中于红光和蓝紫光区域。叶绿体中含有4种色素,各种色素都能吸收光能,总吸收光谱是指叶绿体中4种色素对光的总吸收值。图示中,作用光谱的变化趋势与总吸收光谱非常相似,说明光合色素吸收的光能都可用于光合作用。
主题三光合作用的过程情境探究1.补全叶绿体的结构,回答下列问题。外膜内膜类囊体基粒基质
(1)与光合作用有关的酶分布在何处?答案与光合作用有关的酶分布在叶绿体的类囊体膜上和叶绿体的基质中。(2)叶绿体增大光合作用面积的方式是什么?答案类囊体叠合成基粒,扩大了膜面积。(3)叶绿体是光合作用的必需场所吗?答案叶绿体是真核生物进行光合作用的场所,但原核生物如蓝细菌虽然没有叶绿体,但有叶绿素和藻蓝素,也可以进行光合作用。
2.下图是光合作用的过程图解,请据图分析。
(1)图中①~⑦各种物质分别是什么?答案①叶绿体中的光合色素;②O2;③[H];④ATP;⑤C3;⑥CO2;⑦(CH2O)。(2)光反应和暗反应间有何联系?答案物质联系:光反应为暗反应的顺利进行准备了[H]和ATP,暗反应为光反应提供ADP和Pi。能量联系:光反应中光能转化为活跃的化学能,暗反应中活跃的化学能再转化为有机物中稳定的化学能,两个反应阶段相辅相成,密切联系。没有光反应,暗反应缺乏[H]和ATP,无法进行;暗反应受阻,光反应因产物积累也不能正常进行,故二者又相互制约。
方法突破1.光反应、暗反应过程的区别比较项目光反应暗反应实质光能转换为化学能,并放出O2固定CO2,形成有机物时间长短短促较缓慢需要条件色素、光照、酶不需要色素和光照,需要多种酶反应场所叶绿体类囊体膜上叶绿体的基质中
比较项目光反应暗反应物质变化①水的裂解:水裂解生成[H]和O2②ATP的合成:ADP和Pi形成ATP①CO2的固定:CO2+C5→2C3②C3的还原:2C3+[H](CH2O)+C5能量变化光能→ATP中活跃的化学能ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能相应产物O2、ATP和[H]糖类等有机物
2.外界条件变化时,C5、C3、[H]、ATP等物质的量的变化(1)光照强度变化
(2)CO2浓度变化
【特别提醒】(1)叶绿体的内膜既不参与光反应,也不参与暗反应。(2)叶绿体中的ADP和ATP移动的方向不同。ADP的移动方向:叶绿体基质→类囊体膜。ATP的移动方向:类囊体膜→叶绿体基质。(3)光反应阶段必须是在有光条件下进行,而暗反应阶段有光无光都能进行,但需光反应提供[H]和ATP,故暗反应不能长期在无光环境中进行。(4)在自然条件下,光反应阶段和暗反应阶段同时进行,不分先后。
探究应用1.在高等植物光合作用的卡尔文循环中,唯一催化CO2固定形成C3的酶被称为Rubisco。下列叙述正确的是()A.Rubisco存在于细胞质基质中B.激活Rubisco需要黑暗条件C.Rubisco催化CO2固定需要ATPD.Rubisco催化C5和CO2结合D解析Rubisco参与植物光合作用中的暗反应,暗反应场所在叶绿体的基质中,故Rubisco存在于叶绿体的基质中,A项错误;暗反应在有光和无光条件下都可以进行,B项错误;Rubisco催化CO2固定不需要ATP,C项错误;Rubisco催化CO2的固定,即C5和CO2结合生成C3的过程,D项正确。
2.下图所示为叶绿体中色素蛋白等成分在膜上的分布。在图示结构上()A.该生物膜为叶绿体内膜B.可完成光合作用的全过程C.发生的能量转换是:光能→电能→化学能D.产生的ATP可用于植物体的各项生理活动C解析色素存在于叶绿体类囊体膜上,而非内膜;在类囊体膜上只能进行光合作用的光反应,暗反应需在叶绿体的基质中进行;光反应产生的ATP只用于暗反应。
3.玉兰叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时,如果将它移至暗室中,短时间内叶绿体中C3与C5相对含量的变化分别是()A.增多 减少B.减少 增多C.增多 增多D.减少 减少A解析叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时,C3和C5处于动态平衡状态;移至暗室后,短时间内由于光反应停止,ATP和[H]减少,C3还原形成糖类和C5的过程受到影响,而C5仍能正常和CO2反应生成C3,故C3增多,C5减少。
4.下图是某植物体内进行的某种活动,据图完成相关问题。(1)该生理活动的名称是。(2)该生理活动是在叶肉细胞内被称为的细胞器中进行的。(3)写出图中字母A、B、C各自所代表的物质的名称:A;B;C。
(4)需要消耗物质A和B的生理过程③的名称是。(5)图中编号①所表示的生理过程是。(6)若用14C标记CO2中的C,则被标记的C存在于中。(7)色素吸收的能,在这一生理活动过程的阶段部分被转移到中,转变为活跃的化学能,再经过这一生理过程的阶段,转变为化学能。(8)将CO2浓度(体积分数)从1%迅速降低到0.003%后,物质B的浓度将,试分析其原因:。
解析图中所示生理过程为光合作用,其中Ⅰ为光反应阶段,Ⅱ为暗反应阶段,A为ATP,B为[H],C为(CH2O),①为水的裂解,②为CO2的固定,③为C3的还原。CO2浓度下降后,C3的生成量减少,[H]和ATP的消耗量减少,生成量不变,因此[H]和ATP的浓度会升高。答案(1)光合作用(2)叶绿体(3)ATP[H](CH2O)(4)C3的还原(5)水的裂解(6)C3、(CH2O)和C5(7)光Ⅰ(光反应)A(ATP)Ⅱ(暗反应)稳定的(8)升高C3的浓度下降,[H]的消耗量减少,生成量不变
本课结束
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