資源簡介

第五章 細胞的能量供應和利用
第四節 光合作用與能量轉化
二 光合作用的原理和應用
【學習目標】
1.說明光合作用過程中物質和能量的變化。
2.掌握影響光合作用速率的環境因素以及光合作用原理的應用。
【基礎梳理】
一、光合作用的原理
1.光合作用的概念和反應式
（1）概念：綠色植物通過葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。
（2）反應式： 。
2.探索光合作用原理的部分實驗
（1）19世紀末，科學界普遍認為，在光合作用中，CO2分子的C和O被分開，O2被釋放，C與H2O結合成甲醛，然后甲醛分子縮合成糖。1928年，科學家發現甲醛對植物有毒害作用，而且甲醛 通過光合作用轉化成糖。
（2）1937年，英國植物學家希爾發現，在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑（懸浮液中有水，沒有二氧化碳），在光照下可以釋放出氧氣。像這樣，離體葉綠體在適當條件下發生水的光解、產生氧氣的化學反應稱作 。
（3）1941年，美國科學家魯賓和卡門用同位素示蹤的方法，研究了光合作用中氧氣的來源。他們用16O的同位素18O分別標記H2O和CO2，使它們分別變成和C18O2。然后，進行了兩組實驗：第一組給植物提供H2O和C18O2，第二組給同種植物提供和CO2。在其他條件都相同的情況下，第一組釋放的氧氣都是O2，第二組釋放的都是18O2。
（4）1954年，美國科學家阿爾農發現，在光照下，葉綠體可合成ATP。1957年，他發現這一過程總是與水的光解相伴隨。
（5）20世紀40年代，美國的卡爾文利用 法最終探明了CO2中的碳在光合作用中轉化成有機物中碳的途徑。
3.光合作用的過程
光反應 暗反應（碳反應）
實質 光能轉化為化學能，并釋放 同化CO2，合成
需要條件 外界條件：光照內部條件：色素、酶 外界條件：無需光照內部條件：酶
反應場所 葉綠體類囊體的薄膜上 葉綠體的基質中
物質變化 ①水的光解：水分解成NADPH和O2②ATP的合成：在相關酶的作用下，ADP和Pi形成ATP ①CO2的固定： ②C3的還原：
①光反應為暗反應提供兩種重要物質：NADPH和ATP， 既可作還原劑，又可提供能量；暗反應為光反應提供三種物質： 。
②暗反應有光無光都能進行。若光反應停止， 可持續進行一段時間，但時間不長，故晚上一般認為只進行呼吸作用，不進行光合作用。
二、光合作用原理的應用
1.光合作用的強度
（1）概念：植物在 內通過光合作用制造 的數量。
（2）影響光合作用的因素：影響光合作用的環境因素主要有 、 、 。
2.探究環境因素對光合作用強度的影響
（1）實驗原理：抽去小圓形葉片中的氣體后，葉片在水中 ，光照下葉片進行光合作用產生氧氣，充滿細胞間隙，葉片又會 。光合作用越強，單位時間內小圓形葉片上浮的數量越多。
（2）實驗流程
打出小圓形葉片（30片）：用打孔器在生長旺盛的綠葉上打出（直徑＝0.6cm）
（避開大的葉脈）
↓
抽出葉片內氣體：用注射器（內有清水、小圓形葉片）抽出葉片內氣體（O2等）
（一般要重復2～3次）
↓
小圓形葉片沉到水底：將抽出內部氣體的小圓形葉片放入黑暗處盛有清水的燒杯中，小圓形葉片全部沉到水底
↓
強、中、弱三種光照處理：取3只小燒杯，分別倒入20mL富含CO2的清水，各放入10片小圓形葉片，用強、中、弱三種光照分別照射
（可利用小燒杯與光源的距離來調節光照強度）
↓
觀察并記錄同一時間段內各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數量
（3）實驗現象與結果分析
光照越強，燒杯內小圓形葉片浮起的數量越多，說明在一定范圍內，隨著光照強度的不斷增強，光合作用強度不斷 。
3.化能合成作用和光合作用的比較
項目 光合作用 化能合成作用
區別 能量來源 氧化無機物放出的能量
代表生物 綠色植物
相同點 都能將CO2和H2O等無機物合成有機物
【課堂練習】
1.下列關于光合作用探究歷程的敘述錯誤的是（ ）
A.普利斯特利指出光在植物更新空氣過程中起關鍵作用
B.恩格爾曼的實驗證明了植物光合作用的場所是葉綠體
C.魯賓和卡門用同位素標記法證明光合作用釋放的氧氣來自水
D.薩克斯將葉片在暗處放置幾個小時是為了消耗掉葉片中的營養物質
2.下圖為“探究影響植物光合速率的因素”的實驗裝置圖。下列關于該圖的說法，正確的是（ ）
A.在試管與燈之間放置盛水玻璃柱是為了使光均勻照射水藻
B.向燈的方向移動試管，試管內的水溫不會有顯著變化
C.該實驗裝置測出的植物光合速率為總光合速率
D.改變盛水玻璃柱與燈之間的距離，可以探究光照強度對光合作用的影響
3.下列關于提高農作物產量的措施,不合理的是（ ）
A.蔬菜大棚采用藍紫色的薄膜,有利于提高農作物光合效率
B.施用農家肥有利于土壤微生物的代謝,可為農作物提供更多的CO2
C.維持蔬菜大棚中適當的晝夜溫差,可減少有機物消耗,提高產量
D.合理密植有利于提高農作物對光、水、肥等資源的利用率
4.自然界中少數種類的細菌能利用體外環境中某些無機物氧化時釋放的能量來制造有機物，這種制造有機物的方式叫作化能合成作用。下列有關說法正確的是（ ）
A.和植物一樣，這些細菌能利用光能合成有機物
B.能進行化能合成作用的生物屬于自養生物
C.硝化細菌能利用還原亞硝酸和硝酸時釋放的能量合成糖類
D.化能合成作用過程中只有能量釋放，沒有能量儲存
5.綠色植物的光合作用是在葉綠體內進行的一系列能量和物質轉化過程。下列敘述錯誤的是（ ）
A.弱光條件下植物沒有O2的釋放，說明未進行光合作用
B.在暗反應階段，CO2不能直接被還原
C.在禾谷類作物開花期剪掉部分花穗，葉片的光合速率會暫時下降
D.合理密植和增施有機肥能提高農作物的光合作用強度
6.美國科學家卡爾文利用同位素標記法對小球藻的光合作用進行研究，最終探明了光合作用中碳的轉移途徑，因此獲得了1961年的諾貝爾化學獎。圖甲為簡化的卡爾文循環示意圖，請回答問題：
（1）卡爾文循環在細胞中進行的場所是_____，過程①為_____，參與到過程②中的X物質來自光反應中的_____（過程）。
（2）在培養小球藻的試管內加入14C標記的14CO2，先進行一定強度的光照后，再黑暗處理，分別檢測小球藻體內的三碳化合物和五碳化合物的放射性強度，得出的曲線如圖乙所示。圖中曲線Ⅰ表示的是_____的變化趨勢。
【答案以及解析】
1.答案：A
解析：普利斯特利實驗結果表明“植物可以更新空氣”，但不能說明光在植物更新空氣過程中起關鍵作用；恩格爾曼實驗證明了O2是由葉綠體釋放出來的，葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所；魯賓和卡門采用同位素標記法，用18O分別標記CO2和H2O，分別提供給植物進行光合作用，證明光合作用釋放的氧氣來自水；薩克斯將葉片在暗處放置幾個小時，是為了消耗掉葉片中的營養物質，防止葉片中原有的淀粉對實驗結果產生干擾。
2.答案：B
解析：試管中的水溫為無關變量，在試管與燈之間放置盛水玻璃柱是為了讓其吸收燈光熱量，避免光照影響試管內的水溫，所以向燈的方向移動試管，試管內的水溫不會有顯著變化，A錯誤，B正確；題圖所示實驗裝置測出的植物光合速率為凈光合速率，C錯誤；改變試管與燈之間的距離，可以探究光照強度對光合作用的影響，D錯誤。
3.答案：A
解析：綠色植物對其他顏色的光也有吸收，蔬菜大棚采用藍紫色的薄膜，不利于提高農作物光合效率，A不合理；農家肥含有較多的有機物，施用農家肥有利于土壤微生物的代謝，通過微生物的呼吸作用可為農作物提供更多的CO2，B合理；適當的晝夜溫差可以使晚上有機物消耗減少，C合理；合理密植有利于提高農作物對光、水、肥等資源的利用率，D合理。
4.答案：B
解析：進行化能合成作用的細菌能利用無機物氧化時所釋放的化學能合成有機物，故屬于自養生物，A錯誤、B正確；硝化細菌將CO2和H2O合成為糖類所需的能量來自將氨氧化成亞硝酸以及將亞硝酸氧化成硝酸時釋放出的化學能，C錯誤；化能合成作用將無機物氧化時釋放的能量轉化為有機物中的化學能并儲存起來，D錯誤。
5.答案：A
解析：本題考查光合作用的有關知識。
選項 正誤 原因
A × 弱光條件下植物沒有O2的釋放，有可能是光合作用產生的O2量小于或等于呼吸作用消耗的O2量
B √ 光合作用暗反應過程中，CO2先被固定成C3，再被［H］還原成有機物
C √ 在禾谷類作物開花期剪掉部分花穗，光合作用產物輸出受阻，葉片的光合速率會暫時下降
D √ 合理密植可以充分利用光照，增施有機肥可以為植物提供礦質元素和二氧化碳，這些措施均能提高農作物的光合作用強度
6.答案：（1）葉綠體基質；CO2的固定；水的光解
（2）三碳化合物（C3）
解析：（1）卡爾文循環過程是光合作用的暗反應過程，進行的場所是葉綠體基質，過程包括CO2固定和C3的還原，①是CO2固定，參與到過程②中的X物質是ATP和[H]，來自于光反應中水的光解。
（2）圖中曲線Ⅰ表示的是三碳化合物（C3）的變化趨勢，因為黑暗條件下光反應不能進行，不能產生[H]、ATP將三碳化合物還原，而短時間內三碳化合物的還原仍在進行，所以三碳化合物會增多。
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