第5章 第4节 第2课时 光合作用的原理和应用一.docx
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第5章第4节第2课时光合作用的原理和应用一
第2课时 光合作用的原理和应用
(一)
一、光合作用的概念及其探究过程
1.光合作用的概念
(1)场所:
绿色植物的叶绿体。
(2)能量来源:
光能。
(3)反应物:
CO2、H2O。
(4)产物:
O2、糖类等有机物。
(5)反应式:
CO2+H2O
(CH2O)+O2。
2.光合作用的探究历程
人物
实验过程及现象
结论
普利斯
特利
密闭玻璃罩+绿色植物+
植物生长能更新空气
英格豪斯
500多次植物更新空气实验
植物体只有存在绿叶且在有光条件下才能更新空气
梅耶
根据能量转换和守恒定律得出
光合作用时光能转化成化学能储存起来
萨克斯
绿叶
曝光处变深蓝色,遮光处无颜色变化
光合作用的产物除O2外还有淀粉
鲁宾和卡门
H
O+CO2―→植物―→18O2H2O+C18O2―→植物―→O2
光合作用释放的氧气来自水
续表
人物
实验过程及现象
结论
卡尔文
用14C标记的14CO2,供小球藻光合作用,追踪放射性
CO2中的C在光合作用中转化为有机物中的碳
二、光合作用的过程
1.反应式
CO2+H2O
(CH2O)+O2
2.过程分析
3.光反应与暗反应的比较
光反应
暗反应
场所
类囊体的薄膜上
叶绿体内的基质中
条件
需光
不需要光
物质转变
H2O―→[H]+O2
ADP+Pi―→ATP
能量转变
光能―→活跃化学能
活跃化学能―→稳定化学能
[共研探究]
人们对光合作用的认识是一个漫长的渐进过程,请阅读教材完成下列问题,理解光合作用的实质。
1.读教材P101~102内容,讨论并交流下列问题:
(1)根据实验设计原则,普利斯特利实验是否有不足之处?
提示:
有。
没有认识到光在植物更新空气中的作用,而将空气的更新归因于植物的生长。
(2)结合教材P102图5-13萨克斯的实验,思考下列问题:
①萨克斯实验设计的关键是什么?
提示:
实验的关键是饥饿处理,以使叶片中的营养物质消耗掉,增强实验的说服力。
②萨克斯实验中,自变量为光照;因变量为叶片颜色变化,对照类型为自身对照。
③此实验除了证明光合作用的产物有淀粉外,还证明了光是光合作用的必要条件。
(3)鲁宾和卡门实验利用什么方法研究物质来源?
实验中的自变量和因变量分别是什么?
提示:
放射性同位素标记法。
自变量是标记的物质,因变量是O2的放射性。
2.根据上述探究,总结光合作用的相关内容
(1)场所:
叶绿体。
(2)能量来源:
光能。
(3)反应物:
二氧化碳和水。
(4)产物:
有机物和氧气。
(5)实质:
合成有机物,储存能量。
3.结合上述分析,写出产物是葡萄糖的光合作用反应式,并标出各元素的去向。
答案:
[总结升华]
1.普利斯特利的实验
(1)实验过程及现象:
(2)实验分析:
①没有认识到光在植物更新空气中的作用,而将空气的更新归因于植物的生长。
②由于当时科学发展水平的限制,没有明确植物更新气体的成分。
2.萨克斯的实验
(1)实验过程及现象:
黑暗中饥饿处理的绿叶
(2)实验分析:
①设置了自身对照,自变量为光照,因变量是叶片颜色变化。
②实验的关键是饥饿处理,以使叶片中的营养物质消耗掉,增强了实验的说服力。
③本实验除证明了光合作用的产物有淀粉外,还证明了光是光合作用的必要条件。
3.鲁宾和卡门的实验
(1)实验过程及结论:
(2)实验分析:
设置了对照实验,自变量是标记物质(H
O和C18O2),因变量是O2的放射性。
[对点演练]
1.将下列科学家的实验和实验得出的结论连线
2.20世纪30年代,美国科学家鲁宾和卡门利用氧的同位素18O分别标记水和二氧化碳,使它们分别成为H
O和C18O2,然后进行如图所示的两组光合作用实验(容器中为一种低等绿色植物小球藻悬液)。
下列说法正确的是( )
A.两个装置,一个置于光下,一个置于暗处,放置相同时间
B.若两管在光下放置相同时间,甲管释放的氧气有放射性
C.将通入CO2改成溶解5%NaHCO3,会增加实验的可靠性
D.该实验的目的是要证明光合作用需要CO2
解析:
选C 对比甲、乙两组实验装置图,发现图中已呈现了变量,如果再将两装置一个置于光下,一个置于暗处相同时间,就不符合实验的单一变量原则;鲁宾和卡门的实验目的是研究光合作用释放氧气的来源。
[共研探究]
光合作用是一个非常复杂的过程,包括一系列的化学反应。
如图是光合作用的图解,结合该图和教材内容分析:
1.写出各种物质的名称或者符号
①叶绿体中的色素;②O2;③[H];④ATP;⑤C3;
⑥CO2;⑦(CH2O)_。
2.光合作用中的化学反应过程
(1)根据光合作用的反应过程,回答下列问题:
①暗反应必须在无光条件下才能进行吗?
提示:
光反应必须在光下进行,而暗反应有光无光都能进行,但不能较长时间在黑暗条件下进行。
②为什么暗反应不能较长时间在黑暗条件下进行?
提示:
因为光反应为暗反应提供的[H]、ATP是有限的。
(2)光合作用过程中各元素的转移途径。
①用放射性同位素分别标记H2O中的H和O,则元素转移为:
O可在释放的氧气中检测到;H可在产生的糖类中检测到。
②标记CO2中的14C,元素转移途径为14CO2+C5→2C3(只有一个14C)→C5+(14CH2O)。
③光合作用总反应式及各元素去向:
(3)光照、CO2对叶绿体中C3、C5的影响
①停止光照:
C3含量相对增加,C5含量相对减少。
②停止CO2供应:
C3含量相对减少,C5含量相对增加。
3.结合光合作用过程,你认为早晨锻炼好还是傍晚锻炼好?
提示:
傍晚锻炼好。
因为植物在白天进行光合作用,吸收CO2产生O2;晚上只进行细胞呼吸,吸收O2释放CO2,所以傍晚时空气中O2含量比早晨多。
[总结升华]
1.光反应与暗反应的比较
项目
光反应(准备阶段)
暗反应(完成阶段)
场所
叶绿体的类囊体薄膜上
叶绿体的基质中
条件
光、色素、酶、水、ADP、Pi
多种酶、[H]、ATP、CO2、C5
物质变化
①水的光解:
2H2O
4[H]+O2
②ATP的形成:
ADP+Pi+能量
ATP
①CO2固定:
CO2+C5
2C3
②C3的还原:
2C3
(CH2O)
能量变化
光能转变成ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能转变成贮存在(CH2O)中的稳定的化学能
相互联系
光反应产物[H]、ATP为暗反应提供还原剂和能量;暗反应产生的ADP、Pi为光反应形成ATP提供了原料
2.外界条件(如光照、CO2浓度等)改变时,光合作用中C3、C5、[H]、ATP含量的变化
[注意]
(1)以上各物质的变化是相对含量的变化,不是合成速率,而且是在条件改变后的短时间内发生的。
(2)在以上各物质的含量变化中:
C3和C5含量的变化是相反的,即C3增加,则C5减少;[H]和ATP的含量变化是一致的,即都增加,或都减少。
[对点演练]
3.如图所示,图甲为叶绿体结构与功能示意图,图乙表示一株小麦叶片细胞内C3相对含量在一天24小时内的变化。
请据图分析:
(1)图甲中A、B、C、D分别表示参与光合作用或光合作用生成的物质,则A表示________,B表示________,C表示________,D表示________。
(2)在a中发生的过程称为________,在a中含有的参与此过程的物质是________。
(3)在a中发生的能量转变是_________________________________。
(4)图乙中,从________点开始合成有机物,至____________________点有机物合成终止。
(5)AB段C3含量较高,其主要原因是_______________________________________________________________________________________________________________。
(6)G点C3含量极少,其原因是__________________________________________
________________________________________________________________________。
(7)G点与F点相比,G点时叶绿体中[H]的含量较____(填“高”或“低”)。
解析:
(1)根据图甲中物质转化关系可判断,A代表H2O,B代表CO2,C代表C3,D代表C5。
(2)图甲中a表示叶绿体的类囊体薄膜,其上分布有色素和酶,是光反应进行的场所。
(3)叶绿体的类囊体薄膜上发生的能量转变是光能→ATP中活跃的化学能。
(4)根据图乙中C3含量的变化曲线可知,C3含量从B点开始减少,说明在有光的条件下,C3被还原,至I点时,C3含量又保持不变,说明此时没有光,不能进行光反应,缺乏[H]和ATP,暗反应停止,不再合成有机物。
(5)图乙中AB段缺乏光,不能进行光反应,缺乏[H]和ATP,C3不能被还原。
(6)G点时光照强度强,蒸腾作用旺盛,导致气孔关闭,CO2不能通过气孔进入,缺乏CO2,CO2固定减弱,C3生成减少。
(7)G点时C3缺乏,光反应正常进行,[H]积累,而F点时,C3含量比G点时高,消耗[H]多,积累的[H]少。
答案:
(1)H2O CO2 C3 C5
(2)光反应 色素和酶 (3)光能→ATP中活跃的化学能 (4)B I (5)无光不能进行光反应,不产生[H]和ATP,C3不能被还原
(6)气孔关闭,叶肉细胞内CO2含量低,CO2的固定减弱 (7)高
1.德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处数小时“饥饿”处理(消耗掉叶片中的淀粉)后,再把叶片的一部分遮光,其余部分曝光。
一段时间后,将该叶片经脱色、漂洗后再用碘液处理,结果发现遮光部分不变蓝,曝光部分变蓝。
下列有关本实验的分析及结论合理的是( )
①本实验未设对照组 ②有无光照是遮光和曝光区域表现不同结果的唯一原因 ③实验初始时遮光和曝光区域均达到无淀粉状态 ④实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉
A.①~④全部 B.只有②③④
C.只有①②③D.只有②③
解析:
选D 该实验中曝光部分与遮光部分形成了对照,①错误。
该实验只能证明有淀粉的生成,但不能证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉,④错误。
2.鲁宾和卡门用H
O和CO2作为原料进行光合作用实验,下列符合实验结果的是( )
A.释放的氧气全是O2
B.释放的氧气一部分是O2,一部分是18O2
C.释放的氧气全是18O2
D.释放的氧气大部分是O2,少部分是18O2
解析:
选C 鲁宾和卡门用H
O和CO2作为原料进行光合作用实验,其目的是探究光合作用释放出的O2的来源,通过放射性检测,光合作用产生的氧气全部是18O2。
3.光合作用包括光反应和暗反应两个阶段,暗反应必需的物质是( )
A.H2O、CO2、ADPB.CO2、[H]、ATP
C.H2O、CO2、ATPD.[H]、H2O、ADP
解析:
选B 暗反应过程包括二氧化碳的固定和三碳化合物的还原,在此过程中需要CO2、[H]和ATP及多种酶参与反应。
4.如图为光合作用图解,请据图作答:
(1)填写图中物质的名称:
A__________、B__________、C________、D________、E________、F________、G________、H________。
(2)B存在于________内________的薄膜上;C是_____________________________
剂,参与暗反应;B还能将A转变成________能并贮存在________中。
(3)D与F结合形成E的过程叫做________;E接受光反应提供的能量,被________还原成________,同时将能量贮存于其中,这个过程叫做________。
(4)用18O标记后的H2O灌溉某株植物,短时间内18O不可能出现在( )
A.植物周围的氧气中
B.植物周围的水蒸气中
C.细胞质的水中
D.叶肉细胞生成的糖类中
解析:
(2)(3)光反应发生在类囊体的薄膜上,物质变化有:
水的光解,光反应的产物是O2、[H]和ATP;暗反应发生在叶绿体的基质中,物质变化有①CO2的固定:
CO2+C5→2C3,②C3的还原:
产物有(CH2O)和C5。
光合作用过程中的能量变化是:
光能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能。
(4)解题关键是明白被18O标记的是H2O而不是CO2。
用18O标记的H2O灌溉植物,植物可通过根毛区细胞把H
O吸入细胞中,H
O大部分通过蒸腾作用散失到周围空气中,小部分被光解成18O2,散失到空气中,还有一部分18O2被细胞呼吸所利用和[H]结合生成H
O。
答案:
(1)光能 叶绿体中的色素 [H] CO2 C3 C5 (CH2O) 多种酶
(2)叶绿体 类囊体 还原 化学 ATP (3)CO2的固定 [H] (CH2O) C3的还原 (4)D
【基础题组】
1.2,6二氯酚靛酚是一种蓝色染料,能被还原剂还原成无色,从叶绿体中分离出类囊体,置于2,6二氯酚靛酚溶液中,对其进行光照,发现溶液变成无色,并有O2释放。
此实验证明( )
A.光合作用在类囊体上进行
B.光合作用产物O2中的氧元素来自CO2
C.光反应能产生还原剂和O2
D.光合作用与叶绿体基质无关
解析:
选C 依据题中信息可判断,光照后溶液变为无色,说明有还原剂产生;有O2释放,说明该过程有O2产生;类囊体是光合作用光反应阶段的场所。
2.下列关于光合作用的叙述,正确的是( )
A.光合作用制造的有机物中的氧全部来自于水
B.光合作用中各种酶的活性都与温度呈正相关
C.光反应阶段和暗反应阶段均有ATP的合成
D.光反应阶段为暗反应阶段提供了还原剂[H]
解析:
选D 光合作用产生的有机物中的氧来自CO2,H2O光解产生的O2释放到了外界环境中;温度过高时酶的活性降低;光反应产生ATP,暗反应消耗ATP;光反应为暗反应提供还原剂[H]和ATP。
3.下列关于叶绿素的叙述,错误的是( )
A.叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素
B.被叶绿素吸收的光可用于光合作用
C.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同
D.植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光
解析:
选D 叶绿素的中心元素是镁离子,A正确;色素的作用是吸收、传递、转化光能,进行光合作用,B正确;叶绿素a比叶绿素b在红光区的吸收峰值高,C正确;植物色素主要的吸收峰在蓝紫光区和红光区,绿光吸收最少,反射多,所以叶片呈现绿色,D错误。
4.离体的叶绿体在光照下进行稳定的光合作用时,如果突然中断CO2的供应,短暂时间内叶绿体中C3与C5相对含量的变化是( )
A.C3增多、C5减少B.C3增多、C5增多
C.C3减少、C5增多D.C3减少、C5减少
解析:
选C 在光合作用的暗反应过程中,CO2首先与C5结合,形成2个C3,最后经一系列的循环后又产生C5。
所以叶绿体在光照下进行光合作用时,C3和C5含量都维持在相对平衡的状态。
如果突然中断CO2的供应,CO2固定减弱,所以短时间内C3减少而C5增多。
5.光合作用的光反应和暗反应依次发生在( )
A.细胞质、细胞核中
B.叶绿体的外膜、内膜上
C.叶绿体的类囊体薄膜上、叶绿体的基质中
D.叶绿体的基质中、叶绿体的类囊体膜上
解析:
选C 光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上,暗反应发生在叶绿体的基质中。
6.番茄幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后,与对照组相比,其叶片光合作用强度下降,原因是( )
A.光反应强度升高,暗反应强度降低
B.光反应强度降低,暗反应强度降低
C.光反应强度不变,暗反应强度降低
D.光反应强度降低,暗反应强度不变
解析:
选B 镁是构成叶绿素的重要成分,缺镁会导致番茄幼苗不能合成叶绿素。
叶绿素含量降低使光合作用的光反应强度降低;因光反应为暗反应提供[H]和ATP,故光反应强度降低,其为暗反应提供的[H]和ATP减少,暗反应的强度也降低。
7.如图表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下,小球藻进行光合作用的实验示意图。
一段时间后,以下相关比较不正确的是( )
A.Y2的质量大于Y3的质量
B.④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量
C.②中水的质量大于④中水的质量
D.试管①的质量小于试管②的质量
解析:
选C 根据题意及图中实验处理可知,②④试管利用H
O标记,③④试管利用C18O2标记,①试管没有标记,作为空白对照组,光合作用释放出的氧气全部来自于水,因此图中Y1=Y3<Y2=Y4,各试管中水的质量①=③<②=④,各试管中小球藻的质量①=②<③=④。
8.如图所示某植物上的绿叶经锡箔覆盖处理后在阳光照射24小时后,将其脱色并用碘液处理,结果有锡箔覆盖的位置不呈蓝色,而不被锡箔覆盖的部分呈蓝色,本实验证明( )
①光合作用需要CO2 ②光合作用需要光 ③光合作用需要叶绿体 ④光合作用放出氧 ⑤光合作用制造淀粉
A.①②B.③⑤
C.②⑤D.①③
解析:
选C 根据题中实验处理可知,实验中控制的实验变量是光照的有无。
根据实验结果可知,有光照的绿叶部分,进行光合作用制造了淀粉,没有光照的部分,不能进行光合作用,没有淀粉生成。
【能力题组】
9.为了研究光合作用,生物小组的同学把菠菜叶磨碎,分离出细胞质基质和全部叶绿体。
然后又把部分叶绿体磨碎分离出叶绿素和叶绿体基质,分别装在四支试管内,并进行光照,如图所示。
哪一支试管能检测到光合作用的光反应过程( )
A.甲 B.乙 C.丙 D.丁
解析:
选B 光合作用的光反应过程发生在叶绿体的类囊体薄膜上,需要叶绿素和相关酶。
10.在叶绿体中,ATP和ADP的运动方向是( )
A.ADP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ATP则向相反方向运动
B.ATP与ADP同时由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动
C.ATP与ADP同时由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动
D.ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ADP的运动方向则正好相反
解析:
选D 叶绿体是进行光合作用的场所,光反应在叶绿体的类囊体薄膜上进行,此过程中消耗来自叶绿体基质的ADP,产生ATP,供暗反应阶段C3的还原,所以叶绿体中ATP由类囊体薄膜向叶绿体的基质运动,ADP则由叶绿体的基质向类囊体薄膜运动。
11.如图表示植物细胞内的物质转化过程,下列分析不正确的是( )
A.发生在生物膜上的生理过程有a、c、d
B.有ATP产生的生理过程是b、c、d
C.人体细胞内具有的过程是b、d
D.在光照充足、条件适宜的条件时,a强于b,c强于d
解析:
选A a表示光合作用的暗反应阶段,b表示有氧呼吸第一、二阶段,c表示光合作用的光反应阶段,d表示有氧呼吸第三阶段。
四个过程中a过程的场所是叶绿体基质;b过程的有氧呼吸第一阶段发生的场所是细胞质基质,有氧呼吸第二阶段发生的场所是线粒体基质,二者都不是在生物膜上发生的。
12.根据下面的光合作用图解,判断下列说法正确的是( )
A.⑤过程发生于叶绿体的基质中
B.⑥过程发生于叶绿体的类囊体薄膜上
C.图示①~④依次为[H]、ATP、CO2、(CH2O)
D.②不仅用于还原C3,还可促进③与C5的结合
解析:
选C 根据光合作用的过程判断①②③④⑤⑥分别表示[H]、ATP、CO2、(CH2O)、光反应、暗反应。
光反应发生在叶绿体的类囊体薄膜上,暗反应发生在叶绿体的基质中。
C3还原过程中需要ATP,CO2固定过程中不需要ATP。
13.如图是绿色植物体内能量转换过程的示意图,请据图回答:
(1)图中A表示的过程为________,其中生成的ATP所需的能量来自____________,写出生成ATP的反应式:
________________;这些ATP将用于________。
(2)图中B表示的过程为________,此过程发生的场所是________。
(3)图中C表示的过程为________,产生的ATP中的能量来自______________,ATP水解释放的能量直接用于________,这里产生的CO2是在第________阶段形成的,产生的水是在第________阶段形成的,整个C过程的反应式可以写成:
________________________________________________________________________。
解析:
(1)图中A表示的过程为光反应,其中生成的ATP所需的能量来自光能。
生成ATP的反应式为:
ADP+Pi+光能
ATP。
这些ATP将用于暗反应(暗反应中合成葡萄糖或者C3的还原)。
(2)图中B表示的过程为暗反应,此过程发生的场所是叶绿体基质。
(3)图中C表示的过程为有氧呼吸,产生的ATP中的能量来自葡萄糖氧化分解,ATP水解释放的能量直接用于植物的各项生命活动。
有氧呼吸的第二阶段丙酮酸和水反应生成二氧化碳和[H],故CO2是在有氧呼吸第二阶段形成的。
有氧呼吸的第三阶段氧气和[H]反应生成水,故水是在有氧呼吸第三阶段形成的,整个C(有氧呼吸)过程的反应式为:
C6H12O6+6H2O+6O2
6CO2+12H2O+能量。
答案:
(1)光反应 光能 ADP+Pi+光能
ATP 暗反应(暗反应中合成葡萄糖或者C3的还原)
(2)暗反应 叶绿体基质 (3)有氧呼吸 葡萄糖氧化分解 植物的各项生命活动 二 三 C6H12O6+6H2O+6O2
6CO2+12H2O+能量
14.如图是玉米光合作用的过程,据图回答:
(1)[H]由____________细胞的叶绿体提供,它来自光合作用的__________阶段。
(2)能固定CO2的物质有______________________________________________。
PEP酶与CO2的亲和力是Rubisco酶的60倍,而马铃薯没有C4生成这一途径,则玉米和马铃薯在炎热夏天的中午,两种植物细胞内C3含量的变化及差异是______________________________。
(3)要探明CO2中的碳在光合作用中的转化过程,可采用的方法是________________。
(4)施有机肥能有效促进玉米生长,其原理是有机肥经分解后可为光合作用提供________。
(5)玉米有氧呼吸过程中也有丙酮酸的产生,该物质可在________________被彻底分解。
解析:
(1)由于只有其叶肉细胞中有类囊体,所以[H]由叶肉细胞中的叶绿体提供,来自光合作用的光反应阶段。
(2)由图示可知参与固定CO2的物质有PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)、C5。
在炎热夏天的中午,由于气温过高,会导致气孔关闭,二氧化碳无法进入,但光反应仍可提供充足的[H]和ATP,则两种植物的C3含量都会下降,但是后者由于无C4生成途径,不能利用较低浓度的二氧化碳,所以下降幅度较玉米大。
(3)要探明CO2中的碳在光合作用中的转化过程,可采用同位素标记法(同位素示踪法)。
(4)有机肥经微生物分解后可产生二氧化碳、无机盐,从而供光合作用利用。
(5)丙酮酸可在线粒体内被彻底分解,生成二氧化碳等无机物。
答案:
(1)叶肉 光反应
(2)PEP(磷酸烯醇式丙酮
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