高中生物必修一同步系列（新教材）讲义第5章 第4节 第2课时 光合作用的原理

第2课时光合作用的原理1．光合作用的概念2．光合作用的反应式化学反应式：CO2＋H2Oeq\o(→,\s\up7(光能),\s\do5(叶绿体))(CH2O)＋O2。3．探索光合作用原理的部分实验时间/发现者内容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1937年希尔(英国)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1941年鲁宾、卡门(美国)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源，Heq\o\al(218)O＋CO2→植物→18O2，H2O＋C18O2→植物→O2，得出光合作用释放的氧全部来自水1954年阿尔农(美国)在光照下，叶绿体可合成ATP，这一过程总是与水的光解相伴随4．光合作用过程(1)光反应阶段①条件：有光。②场所：类囊体薄膜。③物质变化a．将H2O分解为氧和H＋，其中H＋与NADP＋结合形成NADPH。b．使ADP和Pi反应形成ATP。④能量变化将光能转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。(2)暗反应阶段①条件：有没有光都能进行。②场所：叶绿体基质。③过程(卡尔文循环)a．CO2的固定：C5＋CO2eq\o(→,\s\up7(酶))2C3。b．C3的还原：2C3eq\o(→,\s\up7(酶),\s\do5(ATP、NADPH))(CH2O)＋C5。④能量变化：NADPH、ATP中活跃的化学能变为有机物中稳定的化合能。(3)光反应与暗反应之间的联系光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP＋。(1)植物在夜晚不能进行光反应，只能进行暗反应()(2)光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜()(3)光合作用中ADP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜()(4)光合作用过程中产生的ATP可以为细胞内的各项生命活动提供能量()(5)14CO2中C的转移途径是14CO2→14C3→14C5→(14CH2O)()答案(1)×(2)×(3)√(4)×(5)×特别提醒(1)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，但需光反应提供的NADPH和ATP，故暗反应不能长期在无光环境中进行。(2)光反应阶段为暗反应阶段提供ATP、NADPH，ATP从类囊体薄膜移向叶绿体基质。而暗反应则为光反应提供ADP和Pi，ADP从叶绿体基质移向类囊体薄膜。(3)光合作用的光反应阶段产生的ATP只能用于暗反应，不用于其他生命活动过程。1．光合作用原理的探索实验分析(1)实验一：希尔实验①希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？提示不能，仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有观察到氧元素的转移。②希尔的实验是否能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？提示能说明，希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有水，没有合成糖的另一种必需原料——CO2，因此该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。(2)实验二：鲁宾和卡门的实验分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？提示光合作用释放的氧气中的氧全部来源于水，并不来源于CO2。(3)实验三：20世纪50年代，卡尔文及其同事因在光合作用方面的研究成果，获得了1961年的诺贝尔化学奖。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反应时间来探究CO2中碳原子转移路径的，采用了同位素示踪等技术方法。2．光合作用过程分析条件光照由强到弱，CO2供应不变光照由弱到强，CO2供应不变CO2供应由充足到不足，光照不变CO2供应由不足到充足，光照不变C3含量增加减少减少增加C5含量减少增加增加减少NADPH和ATP的含量减少增加增加减少(CH2O)的合成量减少增加减少增加1．光合作用的实质是合成有机物，储存能量；而呼吸作用的实质是分解有机物，释放能量。2．光反应的场所是类囊体薄膜，产物是O2、NADPH和ATP。3．暗反应的场所是叶绿体基质，产物是糖类等有机物。4．光合作用中的物质转变(1)14CO2→14C3→(14CH2O)；(2)Heq\o\al(218)O→18O2。5．光合作用中的能量转变：光能→ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能。1．希尔从细胞中分离出叶绿体，并发现在没有CO2时，给予叶绿体光照，就能放出O2，同时使电子受体还原。希尔反应是：H2O＋氧化态电子受体→还原态电子受体＋1/2O2。在希尔反应的基础上，阿尔农又发现在光下的叶绿体，不供给CO2时，既积累NADPH也积累ATP；进一步实验，撤去光照，供给CO2，发现NADPH和ATP被消耗，并产生有机物。下列关于希尔反应和阿尔农发现的叙述不正确的是()A．光合作用释放的O2来自水而不是CO2B．NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体薄膜上C．希尔反应与CO2合成有机物的过程是两个过程D．光合作用的需光过程为CO2合成有机物提供ATP和NADPH答案B解析从希尔反应和阿尔农发现的叙述，得不到信息：NADPH和ATP的形成发生在叶绿体类囊体薄膜上，B错误。2．用14C标记CO2，可用于研究光合作用中()A．光反应的条件 B．暗反应的条件C．能量的转换过程 D．由CO2合成糖的过程答案D解析暗反应有光或无光均可进行，但需要能量、酶、ATP，二氧化碳只是原料，B错误；二氧化碳中C首先固定在三碳化合物(C3)中，之后转移到糖类等有机物中，用14C标记CO2可以探究光合作用中CO2合成糖的过程，D正确。3．如图表示光合作用的过程，其中Ⅰ、Ⅱ表示光合作用的两个阶段，a、b表示相关物质。下列相关叙述正确的是()A．阶段Ⅰ表示暗反应 B．阶段Ⅱ表示光反应C．物质a表示NADPH D．物质b表示C3答案C解析图中阶段Ⅰ属于光合作用的光反应阶段，A错误；图中阶段Ⅱ能够发生二氧化碳的固定，并且生成糖类等有机物，属于光合作用的暗反应阶段，B错误；光反应中，水的光解产生氧气和H＋，H＋与氧化型辅酶Ⅱ(NADP＋)结合，形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)，因此物质a表示NADPH，C正确；在光反应阶段产生ATP，图中物质b表示ATP，D错误。4．正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的现象是()A．O2的产生停止B．CO2的固定加快C．ATP/ADP比值下降D．NADPH/NADP＋比值下降答案B解析用黑布将培养瓶罩上，光反应停止，O2的产生停止，A正确；同时NADPH和ATP的产生停止，使暗反应中C3的还原速度减慢，从而导致CO2的固定减慢，B错误；ATP/ADP比值下降，C正确；NADPH/NADP＋比值下降，D正确。5．如图表示在夏季的某一个晴天，某植物细胞光合作用过程中C3、C5的含量变化，若第二天中午天气由艳阳高照转为阴天，此时细胞中C5、C3含量的变化分别相当于曲线中的哪一段()A．c→d段(X)，b→c段(Y)B．b→c段(Y)，b→c(X)C．d→e段(Y)，c→d段(X)D．d→e段(Y)，d→e段(X)答案D解析阴天与晴天相比光照减弱，所以C3含量的变化如X曲线的d→e段，C5含量的变化如Y曲线的d→e段。A组基础对点练题组一光合作用的概念及探索光合作用原理的部分实验1．将一株质量为20g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中，一段时间后植株达到40g，其增加的质量来自()A．水、矿质元素和空气 B．光、矿质元素和水C．水、矿质元素和土壤 D．光、矿质元素和空气答案A解析黄瓜幼苗可以吸收水，增加鲜重；也可以从土壤中吸收矿质元素，合成相关的化合物；也可以利用大气中二氧化碳进行光合作用制造有机物增加细胞干重。植物光合作用将光能转化成了有机物中的化学能，并没有增加黄瓜幼苗的质量，故黄瓜幼苗在光照下增加的质量来自水、矿质元素、空气。综上所述，A项符合题意。2．在科学家对光合作用的探索历程中，下列哪一项叙述不准确()A．恩格尔曼以水绵为实验材料，证明光合作用是发生在叶绿体的受光部位B．希尔发现离体叶绿体在适当条件下，可以发生水的光解并产生氧气C．鲁宾和卡门利用同位素示踪的方法，证明光合作用中释放的氧气来自二氧化碳D．阿尔农发现光合作用中叶绿体合成ATP总是与水的光解相伴随答案C题组二光反应、暗反应的过程3．(2019·山东高一月考)在实验室中，如果要测定藻类植物是否完成光反应，最好是检验其()A．氧气的释放量 B．ATP的生成量C．二氧化碳的消耗量 D．葡萄糖的合成量答案A解析光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段，光反应是指植物利用光能，将光能转变成ATP和NADPH中的化学能，为暗反应提供能量，产生氧气，氧气易于检测，A正确、B错误；光合作用的暗反应实质是一系列的酶促反应，此时消耗二氧化碳并生成糖类，故检测二氧化碳的消耗量及葡萄糖的合成量更适于测定是否完成暗反应，C、D错误。4．用同位素分别标记二氧化碳和水，做了如下实验，就实验结果、结论的叙述不正确的是()A．结果：物质A和物质B都是氧气B．结果：物质A和物质B均无放射性C．结论：物质A和物质B的相对分子质量之比为9∶8D．结论：光合作用释放的氧气中氧元素来源于水答案C解析物质A为O2，物质B为18O2，即物质A和物质B都是氧气，A正确；18O不具有放射性，是16O的稳定同位素，因此物质A(O2)和物质B(18O2)均无放射性，B正确；物质A(O2)和物质B(18O2)的相对分子质量之比为8∶9，C错误；综上分析，光合作用释放的氧气中氧元素来源于水，D正确。5．某科学家用含14C的二氧化碳来追踪光合作用中碳原子转移途径，能正确表示碳原子转移途径的是()A．CO2→叶绿素→ADPB．CO2→C3→葡萄糖C．CO2→酒精→葡萄糖D．CO2→叶绿素→ATP答案B解析卡尔文利用放射性14C探明二氧化碳中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，即14CO2→14C3→(14CH2O)，B正确。6．光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢。如图为绿色植物光合作用图解，下列叙述正确的是()A．①是光合色素，分布在细胞质基质中B．②是氧气，在类囊体薄膜上产生C．③是C5，能被还原为(CH2O)D．④是ATP，在叶绿体基质中生成答案B解析①是光合色素，分布在叶绿体的类囊体薄膜上，A错误；②是氧气，在类囊体薄膜上产生，来自光反应过程中水的光解，B正确；③是C3，能被还原为(CH2O)，C错误；④是ATP，在叶绿体的类囊体薄膜上产生，在叶绿体基质中消耗，D错误。7．(2020·济南市历城第二中学高一期末)光合作用过程包括光反应和暗反应，下图表示光反应与暗反应的关系，据图判断下列叙述不正确的是()A．光反应为暗反应提供ATP和NADPHB．停止光照，叶绿体中ATP和NADPH含量下降C．ATP的移动方向是由类囊体薄膜到基质D．植物在暗处可大量合成(CH2O)答案D解析植物在暗处，由于没有光照，产生的ATP和NADPH不足，导致暗反应产生的有机物(CH2O)减少，D错误。8．下列有关光合作用的叙述，正确的是()A．光反应和暗反应的进行都需要光B．光反应和暗反应的进行都需要酶的参与C．光反应和暗反应的进行都需要消耗ATPD．光反应和暗反应都是在叶绿体的类囊体薄膜上进行答案B解析光合作用的暗反应不直接需要光，所以在光照和黑暗条件下都能进行，A错误；光反应和暗反应都是生物化学反应，生物化学反应要想能在通常情况下发生，都必须有酶的催化作用才能完成，B正确；光反应生成ATP，暗反应消耗ATP，C错误；光反应是在叶绿体的类囊体薄膜上进行，暗反应是在叶绿体的基质中进行，D错误。9．(2020·辽宁高一期末)下列关于光合作用的叙述，错误的是()A．光合作用可以将无机物合成为有机物B．细胞中如果没有叶绿体就不能进行光合作用C．暗反应需要光反应提供ATP和NADPHD．暗反应过程中，CO2被C5固定生成C3答案B解析蓝细菌中虽然没有叶绿体，但其可进行光合作用，B错误。10．下图为某植物光合作用过程示意图。请据图回答下列问题：(1)在类囊体上分布有吸收光能的________，其经提取后再层析分离，扩散最慢的色素带呈________色。(2)图中①为________，(CH2O)中的能量直接来源于图中______________________________。(3)14CO2进入叶绿体后，首先能检测到含14C的有机物是________，该物质被还原成糖类需要光反应提供__________________。(4)光合作用过程中，发生的能量变化是__________________________________________。(5)若突然停止光照，则短时间内④的含量将________(填“增加”“减少”或“不变”)，原因是___________________________________________________________________。答案(1)色素黄绿(2)氧气ATP和NADPH中的能量(3)C3②NADPH、③ATP(4)光能→ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能(5)减少当突然停止光照时，C5的消耗速率不变，合成速率却减慢，导致C5含量减少解析(1)叶绿体类囊体薄膜上分布有光合作用的色素，色素分离实验中扩散最慢的色素带是叶绿素b，呈黄绿色。(2)据图分析，图中①是氧气，(CH2O)中的能量直接来源于③ATP和②NADPH中的能量。(3)14CO2进入叶绿体后，与C5结合生成C3，所以首先能检测到含14C的有机物是⑤C3，该物质被还原成糖类需要光反应提供②NADPH、③ATP。(4)光合作用过程中，光能首先转变为ATP和NADPH中活跃的化学能，再经过C3的还原，ATP和NADPH中活跃的化学能转变为有机物中稳定的化学能。(5)突然停止光照，光反应停止，C5的消耗速率不变，合成速率却减慢，导致C5含量减少。B组综合强化练1．如图表示某生物膜结构及其发生的部分生理过程，下列叙述正确的是()A．图中膜结构表示叶绿体内膜，B侧为叶绿体基质B．图示过程的能量变化是光能转变成ATP和NADPH中稳定的化学能C．甲表示色素分子，其中类胡萝卜素主要吸收红光和蓝紫光D．图示光反应部分过程，水分解为氧和H＋的同时还产生电子答案D解析图示为叶绿体的类囊体薄膜，A侧为叶绿体基质，A错误；图示过程为光反应，能量变化是光能转变成ATP和NADPH中活跃的化学能，B错误；甲表示色素分子，其中叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，C错误；图示光反应部分过程，水分解为氧和H＋的同时还产生电子，D正确。2．Rubisco是大量存在于植物细胞叶绿体中的酶，参与CO2与C5反应，其活性远低于其他酶。该酶有两个CO2结合位点a、b，CO2分子与位点a结合后激活该酶，进而促进位点b上CO2的固定进程。下列关于Rubisco的叙述，错误的是()A．Rubisco在叶绿体基质中参与酶促反应，底物是CO2和C5B．CO2激活Rubisco后即可发生暗反应，促进光合产物的生成C．Rubisco的活性虽然远低于其他酶，但它依然具有高效性D．光合作用正常进行时，抑制该酶的活性会导致C3含量减少答案B解析CO2分子与Rubisco的位点a结合，激活Rubisco，进而催化位点b上的CO2固定，但暗反应需要光反应提供物质条件，也需要多种酶共同作用，B错误。3．在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是()A．红光，ATP下降 B．红光，未被还原的C3上升C．绿光，NADPH下降 D．绿光，C5上升答案C解析如果改用红光，NADPH和ATP会增加，被还原的C3增多，未被还原的C3下降，A、B错误；如果改用绿光，由于色素几乎不吸收绿光，光反应不能产生NADPH和ATP，C3还原形成C5受阻，而二氧化碳固定短时间内仍然进行，因此C5下降，C正确、D错误。4．如果某植物正常进行光合作用时，其叶绿体中NADPH的含量相对稳定，现如图在a点时突然停止供给CO2，则能表示该植物叶绿体中NADPH含量变化的曲线是()答案B解析根据光合作用反应过程，如果突然停止供给CO2，暗反应受到抑制，NADPH的消耗量减少；但光反应正常进行，NADPH的产生速率不变，故NADPH的量增多。随着时间延长，由于叶绿体内部因素的限制，NADPH含量达到最大后不再增加。5.如图是生活在适宜环境中的某植物光合作用部分过程图解，其中A、B、C、D表示四种化合物，a、b表示两个生理过程，相关叙述错误的是()A．该过程发生的场所为叶绿体基质B．C物质可以作为b过程的还原剂C．在无光条件下有利于此过程的进行D．突然增强光照，叶肉细胞内B物质将减少答案C解析图中所示的过程为光合作用的暗反应，发生的场所是叶绿体基质，A项正确；C物质是NADPH，可作为暗反应中C3还原的还原剂，B项正确；在无光条件下，由于缺乏光反应提供的ATP和NADPH，所以不利于该过程的进行，C项错误；增强光照后，由于光反应增强，为暗反应提供更多的ATP和NADPH，所以物质B(C3)含量会减少，D项正确。6．(2020·山西高一模拟)光合作用过程是许多科学家通过系列研究逐步揭示的。请回答问题：(1)叶绿体是植物光合作用的场所，人们在电镜下观察叶绿体，可以发现叶绿体由双层膜包被，内部有许多圆饼状的囊状结构堆叠而成的________，吸收光能的________就分布在类囊体的薄膜上。(2)氧气能与肌红蛋白可逆结合，并且非常灵敏，可用于定量测定微量氧。科学家打碎植物细胞，在叶片匀浆—肌红蛋白系统(含离体叶绿体)中加入Fe3＋或其他氧化剂，然后照光，观察到了氧合肌红蛋白的光谱变化，说明光照下产生了________。上述系统中有H2O，但没有CO2，推测水的光解与CO2消耗的过程可能相对独立。(3)科学家进一步用离体叶绿体进行实验，实验组用CO2固定抑制剂处理，对照组不做处理，测定得到下图所示结果。①据实验结果可知，实验组虽然________量几乎被完全抑制，但氧气产生量______________________________，由此可判断_____________________________________。②ATP合成量虽然没有被完全抑制，但也显著降低，表明ATP合成过程并不与________过程同时进行。后续研究表明，这两个过程均发生在________阶段，两者存在一定关联。答案(1)基粒光合色素(2)氧气(3)①CO2固定与对照组无显著差异水的光解与CO2固定过程相对独立②水的光解光反应解析(1)叶绿体内部有许多圆饼状的囊状结构堆叠而成的基粒，其上分布有吸收光能的光合色素。(2)由于氧气能与肌红蛋白可逆结合，并且，在叶片匀浆—肌红蛋白系统观察到了氧合肌红蛋白的光谱变化，说明光照下产生了氧气。(3)①从图中看出实验组CO2的固定量几乎被完全抑制，但氧气产生量与对照组无显著差异，氧气的产生是通过水的光解产生的，由此说明了水的光解与CO2固定过程相对独立。②ATP和氧气的产生(是通过水的光解产生)都是在光反应阶段产生的，从图中看出，实验组氧气产7．阅读下列材料，回答问题：材料在美国黄石公园的细菌垫以及澳大利亚的海滩岩等阴暗环境中，存在着一种蓝细菌。最新研究发现，这些细菌的特别之处在于，它们在光合作用过程中可使用“近红外光”，而不仅是我们使用的发生在大多数生物中的“可见红光”。光合系统能将太阳能转换成为化学能，从而为生命提供动力。在已知的所有植物、藻类、蓝细菌中都存在叶绿素a，几乎所有的有氧光合作用中，都需要依赖叶绿素a来收集可见光、再将可见光转化为化学物质和氧气。然而，当一些蓝细菌在近红外光环境下生长时，含有叶绿素a的标准系统就会失效，而被含另一种叶绿素——叶绿素f的系统接管。在新的研究中，科学家发现，叶绿素f能吸收波长大于760nm的光，是已知能吸收最大波长的光的叶绿素。当处于荫蔽或者光线较暗的条件下时，叶绿素f就会在光合作用过程中起着关键性的作用，它能利用能量很低的近红外光来进行复杂的化学反应。(1)下图为光合作用基本过程示意图，请结合图解回答下列问题：①代表的生理阶段是________，②代表的细胞结构是________