1、光合作用【学习目标】1知道光合作用的发现过程，了解科学发现的艰辛、方法的重要。2掌握叶绿体中色素的功能。3掌握光合作用的过程及其重要意义。4掌握光合作用的总反应式。5掌握光合作用的光反应与暗反应的关系、基粒和基质的关系。【学习障碍】1理解障碍：(1)如何理解光合作用的过程?(2)如何理解光合作用的光反应与暗反应及其关系？(3)如何理解光合作用中的物质变化和能量变化？(4)如何理解影响光合作用的因素？(5)如何理解光合作用的总反应式？2解题障碍(1)光合作用过程中色素与光合作用的关系作用问题。 (2)光合作用过程中物质变化和能量变化及其关系问题。(3)光合作用在生产实践中的应用问题。【学习策略】
2、1理解障碍的突破：(1)用“迁移法”和“层析综合法 ”理解光合作用的过程。从总体上看，光合作用是一个氧化还原过程：在光合作用的原料中，CO 2 是碳的最氧化的状态，氧在 H2O 中却是一种还原的状态。在光合作用的产物中，糖类则是碳的比较还原的状态。通过反应，CO 2 被还原到糖类的水平，H2O 中的氧则被氧化为分子态氧。在常温常压下，自然界是实现不了这个反应的。在绿色植物体内，仅仅由于叶绿素吸收的光能作为反应的推动力，就能使一个很难被氧化的 H2O 分子去还原一个很难被还原的CO2 分子，并能使一个基本不含能量的 CO2 变成一个富含能量的有机物。(2)用“综合比较法”理解光反应和暗反应、物质
3、转变和能量转变的关系比较一般遵循两条途径进行：一是寻找出知识之间的相同之处，即异中求同；二是在寻找出了事物之间相同之处的基础上找出不同之处，即同中求异。光反应与暗反应的比较如下表：光合作用的过程对比项目 光反应阶段 暗反应阶段相同点与联系点 都包括物质变化和能量变化，因此，二者通过物质代谢和能量代谢相联系所需条件 必须有光能才能进行 没有光能也可以进行场所 叶绿体内的囊状结构上 叶绿体内的基质中物质变化 H2O 分解成氧和H；形成 ATPCO2 被固定；C 3 被 H还原，最终形成糖类等有机物；ATP 转化成 ADP 和 Pi不同点能量变化 光能转变为化学能并且储存在ATP 中 ATP 中的化
4、学能转化为糖类等有机物中储存的化学能(3)用“图解法”理解和掌握光反应与暗反应的关系以及影响光合作用的因素。用图解法描述生命活动的特征是生物学中经常采用的一个重要手段。图解可以增强感性认识，能加速对知识的理解和掌握。其中，教材中光合作用图解就是用以表现光合作用生理过程的图。在学习中，要充分利用好此图，从中可以帮助理解光合作用生理过程的全貌；帮助理解全过程中主要的生理变化以及光反应与暗反应阶段间的关系；可以帮助理解物质转变与能量转变的关系；可以帮助理解影响光合作用的因素；可以帮助理解光合作用的实质等。结合表格对自己所学知识进行分析、归纳、综合整理，使知识系统化、条理化。另外，还可以在理解了图的内
5、涵和外延的基础上，将图进行再加工、再塑造，培养自己的创造能力。如可以把以上图解纳入到叶绿体的亚显微结构基粒和基质中，这样有助于开拓自己的思维空间，有利于对所学知识进行形象直观记忆，提高灵活运用知识的能力。光合作用的图解如下图：光反应与暗反应的关系：在光合作用的图解中从纵向看，光合作用包括光反应与暗反应两个阶段，从横向看，有两条线将这两个阶段串联起来，一条是能量代谢，从光能、ATP 分子中活跃的化学能到有机物分子中稳定的化学能这一能量转移过程。另一条是物质代谢，从 CO2、C 3 化合物到形成糖类等有机物这一物质变化过程。联系光反应与暗反应的是H和 ATP，光反应的产物H是暗反应中 CO2 的还
6、原剂；光反应形成的 ATP 为暗反应提供能量。暗反应产生的 ADP 和 Pi 为光反应形成 ATP 提供原料；暗反应继续完成把无机物合成有机物，把能量储存在有机物中的过程。这就是光反应与暗反应的联系。此外，还能反映出暗反应阶段中还有另些 C3 化合物形成五碳化合物，继续固定 CO2，而使暗反应连续进行下去，这些都反映了光合作用作为生命系统活动之一的有序性和自主性。影响光合作用的因素：从光合作用的图解中还可以反映出影响光合作用的外界因素有光照强度、温度以及 CO2 浓度、H 2O 等，其中光照强度增加，光反应速度加快，产生的H和 ATP 多，使暗反应中还原过程加快，从而使光合作用产物增加；温度主
7、要是通过影响暗反应中酶的催化效率，从而影响光合作用速度。在一定温度范围内，温度越高光合作用速度越快，温度越低，光合作用速度越慢；CO 2 是光合作用的原料，CO2 浓度增加，五碳化合物与 CO2 结合形成的三碳化合物增加，从而使暗反应产物增加；H 2O 一方面是光合作用的原料，同时当 H2O 散失过多时，植物叶片的气孔关闭，CO 2 无法进入植物体内，从而影响光合作用速度；此外，矿质元素也与光合作用有密切关系，如 Mg 是合成叶绿素的必要成分，N 是合成酶必需的，而光合作用过程中需要多种酶参加，P 是合成 ATP 必需的。 例 1冬季在温室内栽培作物时，更易采取下列哪项措施提高光合作用的效率A
8、合理灌溉 B增强光照 C提高温度 D大气施肥解析：影响光合作用的因素有内因、外因两个方面。内因是：植物在不同生长阶段光合作用的强度是不同的。外因是：光照强度、二氧化碳的浓度、水等外界因素。光照强度是影响光合作用的首要因素，在一定范围内，光照强度增加，光合作用也增强。二氧化碳是光合作用的原料，所以二氧化碳的浓度也能影响光合作用的进行，大气中二氧化碳的浓度约为 003%，对植物进行光合作用来说是比较低的。如果二氧化碳的浓度提高到 01%，作物的产量可提高一倍左右，所以在温室栽培作物可补充二氧化碳作大气施肥，增产效果明显。温度直接影响到酶的活性，对植物的各种生理活动都有影响，对光合作用的影响比较复杂
9、，一般最适宜的温度是 2530。故本题选 D。 答案：D(4)用“同位素标记法”理解光合作用反应式中的产物元素来源问题。同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫做示踪元素。用示踪元素标记的化合物，化学性质不变。人们可以根据这种化合物的放射性，对有关的一系列化学反应进行追踪。这种科学研究方法叫同位素标记法。光合作用的公式为：从这个总反应式看不出光合作用产物 O2 的来源，但是，根据用氧的同位素 18O 所做的实验，光合作用中所释放出来的 O2 完全来自反应物 H2O，只要搞清楚光合作用放出的 O2 的来源，(CH 2O)中各元素的来源就迎刃而解了。 2解题障碍的突破：(1)用“图文转换法”和“层析
10、综合法”来解光合作用过程中色素与光合作用的关系的题。例 2实验测得小麦在不同波长光照下光合速率的变化和小麦植株中叶绿素 a 对不同波长光线的相对吸收量，根据实验数据制成曲线图。请根据图回答问题：(1)从图中可看出叶绿素 a 主要吸收_光和_光。(2)在波长 450 nm 光照下产糖速率比在波长 700 nm 光照下的_；在波长 425 nm 光照下 O2 释放速率比在波长 650 nm 光照下的 _。(3)在波长 750 nm 到 800 nm 光照下的光合速率为零，其最可能的是 _。解析：用“图文转换法”和“层析综合法”解。在叶绿体基粒片层结构的薄膜上分布着与光合作用有关的色素，主要有叶绿素
11、 a、叶绿素 b、胡萝卜素和叶黄素等四种。这些色素具有选择吸收光能的作用。观察上图可见，叶绿素 a 对光的吸收量的高峰分别是在约 430 nm 和约 680 nm，因此叶绿素 a 主要吸收的是蓝紫光和红橙光。光合作用是绿色植物利用光能，将 CO2 和 H2O 合成贮存能量的有机物，同时释放 O2 的过程，光合作用合成的有机物主要是糖类。所以光合速率与产糖速率、O 2 释放速率成正比，即光合速率越快，则产糖速率越快，O 2 释放速率越快。通过分析曲线图可以发现：产糖速率在波长 450 nm 光照时比在波长 700 nm 光照时快；而 O2 释放速率在波长 425 nm 光照时比在波长 650 n
12、m 光照下时要慢。这里要注意的是不能把叶绿素 a 对光的吸收量变化曲线与光合速率的变化曲线混在一起。在波长 750 nm 到 800 nm 光照下的光合速率为零，是因为叶绿体中没有吸收该段波长光线的色素，光合作用无法进行。答案：(1)蓝紫 红橙 (2)快 慢 (3)叶绿体中没有吸收该段波长光线的色素，光合作用无法进行点评：在解题过程中所采用的方法有时是多种方法并用，如本题目，首先必须用图文转换法进行读图，弄清变量之间的关系，再做分析。(2)用“系统化和具体化( 对号入座) 法”解光合作用过程中物质变化和能量变化及其关系问题。例 2有一种蓝色染色剂 DCPIP(二氯酚靛酚)，被还原后成为白色，下
13、面条件下能使 DCPIP 产生最大程度颜色变化的是A分离的叶绿体，置于黑暗中 B分离的叶绿体，置于光下 C叶绿体提取液，置于黑暗中 D叶绿体基质提取液，置于光下解析：用“系统化和具体化(对号入座 )法”解。光合作用中光反应是叶绿体色素分子吸收光能将 H2O 分解成H和氧，并将光能转变成化学能贮存在 ATP 中，产生了 ATP。在光合作用中产生的具有还原性的物质只有H，而H是在光反应中产生的，光反应的场所是叶绿体的基粒囊状结构，在叶绿体的基质内只能进行暗反应。通过上述分析可知，将叶绿体置于光下能够进行光反应，产生的H具有还原性，能将 DCPIP还原成白色。 答案：B点评：在光合作用的知识系统中，
14、我们已经理解和掌握了光合作用中的光反应和暗反应的具体过程以及两者的联系，表现在光反应为暗反应提供H和 ATP。光反应的产物有 O2、H和 ATP，其中H作为还原剂参与暗反应，ATP 为暗反应提供能量，O 2 一部分进入线粒体参与有氧呼吸，另一部分则以分子形式从叶片的气孔释放出去。此题中的问题是物质还原的问题，用对号入座的方法知道光反应产生H具有还原性，能将 DCPIP 还原成白色，光反应的场所是叶绿体的基粒。例 3光合作用过程中，能量的转化途径是A光能色素糖类 B色素ATP糖类 C光能ATP糖类 DATP 三碳化合物糖类解析：光合作用过程中有物质变化和能量变化，在光反应过程中的能量变化是叶绿体
15、色素吸收光能，将光能转变成化学能贮存在 ATP 中；在暗反应过程中的能量变化是将 ATP 中的化学能通过还原过程贮存在糖类中。答案：C点评：在光合作用过程中，能量的变化是由光能转变成 ATP 中活跃的化学能，在 ATP 中活跃的化学能转变成糖类中稳定的化学能。因此采用“对号入座的方法”就可得出答案。当然，解题的方法有很多，也可以运用“层析综合法”等方法。(3)用“图文转换法”和“对号入座法”等方法解光合作用在生产实践中应用的题。例 4下图为光反应、暗反应联系示意图，据图回答下列问题：(1)填出图中字母所表示的物质。a_， b_，c_， d_。(2)光反应为暗反应提供了_和_。(3)光合作用中的
16、能量转变是：光能_ 。(4)如小麦在适宜条件下栽培，突然将 d 降至极低水平，则小麦叶片中的三碳化合物含量会突然减少，其原因是_；若降低 d 的同时，又停止光照，则不会出现上述现象，其原因是_。解析：先用“图文转换法”进行读图，知道此图表示光合作用过程中的光反应与暗反应的主要变化及其相互联系，再用“对号入座法”回忆光合作用整个过程可知，a 表示 O2、b 表示 ATP、c 表示H、d 表示CO2；光反应为暗反应提供了 b 和 c，即 ATP 和H；在光合作用过程中的能量变化是光能转变成 ATP 中的化学能，再转变成有机物中的化学能，有机物主要是指糖类中的葡萄糖；如小麦在适宜条件下栽培，突然将
17、d 降至极低水平，则小麦叶片中的三碳化合物含量会突然减少，其原因是缺少形成三碳化合物的原料CO2。若降低 d 的同时，又停止光照，则不会出现上述现象，其原因是 CO2 减少，固定过程受阻，三碳化合物合成减少，同时又由于光照停止，光反应产生的H和 ATP 减少，使还原过程也受阻，这样三碳化合物的含量就相对稳定。答案：(1)O 2 ATP H CO2 (2)H ATP (3)ATP 中的化学能 糖类(有机物)中的化学能 (4)缺乏形成 C3 的原料 光反应受阻，缺乏 H和 ATP 还原 C3 点评：将问题纳入知识系统中可知道光合作用的原料和产物，从而运用“对号入座法”知道 abcd 各代表什么物质
18、；在此基础上回想光反应和暗反应的联系，以及光合作用过程中的能量变化过程；最后，联系影响光合作用的因素，主要是 CO2 和光照对光合作用的影响。此题具有一定的综合性，通过练习可以全面掌握光合作用过程，可以培养综合分析能力。例 5有人设计了一个光合作用实验。实验前在溶液中加入破损了外膜和内膜的叶绿体及一定量的 ATP和H，然后分连续的、两个阶段，按下图所示的条件进行实验。试分析回答： (1)除糖类外，阶段积累的物质主要有_。(2)请在上图中绘出阶段合成糖的速率的可能曲线。解析：本题可用“层析综合法”来解。本题综合考查了光合作用过程中光反应和暗反应的基本过程、反应条件和反应产物以及两者的内在联系，特
19、别是光照和 CO2 对光合作用过程的微观影响。通过对题的解读可知，溶液中加入破损双层膜的叶绿体提供了光反应和暗反应所需的酶系统和色素等基本条件。同时，图中讨论的是糖类的合成速率，故应着重根据暗反应所需条件判断其能否进行，由于阶段中“CO 2 的固定”始终进行着，C 3 在酶、ATP 和H 参与下还原为糖类(如曲线 AB 所示)。由于无光照光反应不能进行，因此没有H和 ATP 的生成，还原受阻直至停止(如曲线 BC 所示)。因此，除糖类外，阶段 I 积累的物质有：C 3、ADP 和 Pi。在阶段中，有光则进行光反应，阶段积累的 C3 还原为糖类，一段时间后，由于无 CO2 没有 C3 的生成，使
20、得糖类的生成受阻直至停止，故阶段的曲线应如答案中图所示。答案：(1)C 3 、ADP 和 Pi (2)如左下图点评：(1)如果将阶段和阶段的控制条件交换一下，其他实验条件均不改变，思考实验结果又该如何 ?对此给出如下可能的曲线(右上图 )，试作出相应的分析：AB 段说明_；BC 段说明_；CD 段说明_。同理，上题中讨论的仍然是有机物的合成速率，解题突破口应是分析暗反应能否进行。根据暗反应条件AB 段说明：有光能进行光反应，无 CO2 暗反应不能进行，因而没有有机物的合成BC 段说明：有CO2、 H和 ATP 暗反应能进行，因而有有机物的合成CD 段说明：有 CO2 但没有H和 ATP，暗反应
21、不能进行。【同步达纲练习】1在正常条件下进行光合作用的某植物，当突然改变某条件后，即可发现其叶肉细胞内五碳化合物含量突然上升，则改变的条件是A降低 CO2 浓度 B升高 CO2 浓度 C停止光照 D停止光照并降低 CO2 浓度2下图是在不同的温度条件下测得光合作用效率与光照强度之间的关系曲线，仔细分析此曲线后，回答下列问题：(1)图中的曲线总体说明了：_；_ 。(2)在光照强度 P 点时，限制光合作用效率的外界因素是_。(3)在光照强度 Q 点时，限制光合作用的外界因素是_。对暗反应影响较大的外界因素是_。3下图为 4 种植物(、 ) 在不同光照强度下光合作用速率的曲线，其中最适于在荫蔽条件下
22、生长的植物是A B C D4光照增强，光合作用增强，但在光照最强的夏季中午，由于气孔的关闭，光合作用不但不能继续增强，反而下降，主要原因是AH 2O 分解产生的H数量不足 B暗反应过程中还原剂数量不足C叶绿体利用光能合成 ATP 数量不够 D暗反应过程中 C3 产生得太少5下图是改变光照和 CO2 浓度后与光合作用有关的三碳化合物和五碳化合物在细胞内的变化曲线。请回答：(1)曲线 a 表示的化合物是_，在无光照，其量迅速下降的原因是：_；_。(2)曲线 b 表示的化合物是_。在 CO2 浓度降低时，其量迅速下降的原因是：_；_。(3)由此可见光照强度和 CO2 浓度的变化均影响光合作用的速度，
23、但前者主要影响光合作用的_过程，后者主要影响_过程。6科学家用高速离心法打破叶绿体的外膜与内膜，基质和基粒便释放出来，在缺 CO2 的条件下，给予光照，然后再用离心法去掉基粒，在黑暗情况下，在上述去掉基粒的基质中，加 14CO2 进行同位素追踪，结果在基质中出现了含 14C 的光合作用产物。在上述实验的同时，进行另一个对照实验：在无任何光照的条件下，已经处理的无基粒的基质中加入 ATP和H及 14CO2，也同样有 14C 的光合作用产物。上述实验证明了：(1)光反应是在叶绿体的_上进行的，因为_ 。(2)暗反应是在叶绿体的_中进行的，因为其中含有_ 。(3)暗反应所需要的是_，而这些物质是_产
24、生的。参考答案【同步达纲练习】1解析：用“图解法”来解。答案：A2解析：用“图文转换法”和“层析综合法”来解。答案：(1)在一定范围内，光合作用效率随光照强度的增加而增加，达到了一定的光照强 度 就 不 再 增 加 在 光 照 强 度 大 于 P 点 时 ， 温 度 适 当 升 高 ， 光 合 作 用 效 率 也 随 之 增 加 (2)光 照 强 度 (3)温 度 温 度3解析：用“图文转换法”和“层析综合法”来解。首先要读图，再析图。此题考查了光照强度这一外界因素对光合作用的影响，特别是光照对不同植物(如阳生植物、阴生植物等) 的不同效应，曲线、应属阳生植物，、则属阴生植物，其中最适合于荫蔽条件下生长的应是。答案：D4解析：用“层析综合法”来解。气孔关闭，CO 2 减少，形成的 C3 减少。答案：D5解析：用“图解法”和“层析综合法”来解。答案：(1)五碳化合物 CO2(C3)还原受阻使再生的五碳化合物减少 由于固定 CO2 要继续消耗五碳化合物 (2)三碳化合物(C 3) 因 CO2 减少，形成的三碳化合物减少 由于三碳化合物的还原过程在继续进行 (3)光反应 暗反应6解析：用“层析综合法”来解。答案：(1)基粒 与光反应有关的色素分布在基粒的囊状结构薄膜上 (2)基质 与光合作用暗反应有关的酶 (3)H和 ATP 光反应
