高中生物人教版必修1《光合作用與能量轉化》導學案

5.4光合作用物質和能量的轉換

班級：姓名j_____________

【學習任務一】探究光合作用過程中氧氣的生成

資料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，02被釋

放,C與HzO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，而且甲醛不能通過光合作用轉化成糖。

資料2：1937年，英國植物學家希爾(R.Hill)發現，在高體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其

他氧化劑(懸浮液中有H20,沒有C02),在光照下可以釋放出氯氣。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希爾反應。

資料3：1941年，美國科學家魯賓(S.Ruben)和卡門(M.Kamcn)用同位素示蹤的方法，研究了

,6,8,8

光合作用中氧氣的來源。他們用O的同位素0分別標記H20和C。?使它們分別變成H2O

I8

和08()2。然后,進行了兩組實驗：第一組給植物提供比0和CO2,第二組給同種植物提

供H21so和C02,在其他條件都相同的情況下，第一組釋放的氧氣都是02,第二組釋放的

,8

都是O2O

資料41951年,塞維羅奧喬亞(S.Ochoa)發現若在離體葉綠體懸浮液中加入NADP+,

在光照條件下可以生成氧氣，并生成NADPH。

討論1：希爾的實驗說明水的光解產生氧氣，是否說明植物光合作用產生的氧氣中的氧元素

全部都來自水？

討論2：光合作用生成的02中的氧元素到底來自HzO還是CCh?如何設計實驗進行探究？

請同學們分析魯賓和卡門的實驗過程和結果，分析科學家設計實驗的思路，完成下列表格。

實驗方法

自變量

因變量

組別反應物生戊物

第一組

第二組

實驗結論

請同學們閱讀資料I一資料3的內容，完成下列示意圖，闡述科學家如何證明光合作用

生成氧氣中的0全部來自于H20O

討論3：希爾反應中誰是接受電子的氧化劑？

討論4：光反應中誰是最終接受電子的氧化劑？

小結：物質變化：光合色素接受光能后，從水中搶奪電子，O元素電子被

生成02。電子經傳遞后被接受生成NADPH,生成的NADPH具有

性。能量轉化：光能-NADPH中的活躍化學能。

【學習任務二】探究光反應的場所和條件

資料1：研究者為探究上述過程發生的場所和條件，進行了下述實驗操作。結果表明四只試

管中只有I號有氣泡產生，收集后可使點燃的衛生香復燃。從4只試管取樣分別加入特定的

氫離子受體（如2,6-D,一種氧化劑，藍色染料，能被還原性物質還原成無色），發現1號

褪色。

討論1:從該實驗能得出的結論，場所：類囊體（有色素）;___________條件：必須有光

物質變化：水的光解產水氧氣和H+

資料2：20世紀5（）年代初，以塞維羅?奧喬亞（S.Ochoa）為代表的科學家們認為光合作用

合成糖類需要的ATP來自于線粒體，尤其是因為在離體葉綠體懸浮液中加入32P標記的無

機磷酸后沒有觀察到含放射性的ATP生成。

資料3：科學家阿爾農認為，光合作用細胞的線粒體含量比葉綠體少得多，而光飽和時光合

速率比呼吸速率高幾十倍，如此少的線粒體如何提供光合作用需要的足量ATP?1954年，

美國科學家丹尼爾?阿爾農（D.Amon）發現，塞維羅?奧喬亞（S.Ochoa）制備的葉綠體懸浮

液中的葉綠體并不完整。他改進了實驗方法，制備類囊體懸浮液和葉綠體基質，當供給Pi、

ADP時，會有ATP產生。同樣方法處理四只試管，只有I號有ATP產生。在后續的實驗中,

阿爾農發現，若水的光解被抑制，葉綠體將不能產生ATP。

討論2：從該實驗能得出的結論，ATP的合成場所：類囊體：合成條件：需光（酶）

能量變化：光能-ATP中的活躍化學能

閱讀資料2和資料3的內容，完成下列示意圖，闡述科學家證明葉綠體也能產生ATP

的過程:

奧喬亞的主張阿爾農的主張

【小組合作探究】嘗試構建光合作用的光反應過程示意圖:（上黑板演示）

【學習任務三】光合作用中CO2如何合成糖類？

資料1：1951-1960年，阿爾農通過一系列實驗發現，在黑暗條件下，向葉綠體提取液（將

葉綠體在水溶液中脹破，嘀心后取上清液）中加入NADPH,同時加入ATP后，NADPH將

會被氧化成NADP+,葉綠體提取液中的3-磷酸甘油酸（三碳化合物，C3）被還原生成糖類。

資料2：1945年卡爾文（Calvin）等人利用小球差作實驗材料，用10年的時間探索了CC>2

固定為糖的途徑。實驗使用放射性同位素14c作為追蹤CO2的示蹤物，將Re標記的14co2

通入照光的小球藻懸浮液，經過預先設定的時間之后，將懸浮液滴入乙醇中，把藻殺死以停

止酶促反應。藻中的放射性化合物用紙層析進行分離，并用放射自顯影顯示后進行鑒定。結

果發現照光60s后的放射層析譜非常復雜，無法檢出CO?固定的最早中間產物（圖1）。將

光照時間縮短至5s左右，層析譜則簡單得多，發現只有一個顯著的斑點，已經證明它是一

種三碳化合物"C3（3-磷酸甘油酸）（圖2）,后又檢測至1了含有放射性的五碳化合物（簡稱

,4

14c5）和六碳糖（C6）o

卡爾文發現在光照和CO2充足的條件下，C3、Cs和糖類（CH?。）有如圖3所示的關系。

實驗發現，在光照條件下，突然降低CO2的濃度，C3和Cs含量如圖4所示。如果光照下突

然中斷C02供應，C3急劇減少而C5量增加，突然停止光照，C3濃度急速升高而C5的濃

度急速降低。

其他中間產物

3-PhosphogtycQratG

三碳化合物

圖25秒后

圖160秒后

(CH。l%COj:0.003%C0

2

放

射

性

強

度

時間

圖3

討論1：光合作用中ATP和NADPH如何被利用？

閱讀資料1，在阿爾農實驗中，在條件下進行，被還原合成糖類，而

ATP合成和水的光解必須在條件下進行，這提示我們光合作用可根據條件的不同

分為和階段。阿爾農實驗使用的葉綠體提取液在葉綠體中對應的場

所應該是O

討論2：光合作用中CO2如何合成糖類？：閱讀資料2,回答下列問題。

①卡爾文用什么方法追蹤C在光合作用中的去向？

②通過圖1和圖2得到了什么實驗結果？

co2-c3-c6

③請用文字描述圖3所示的實驗結果。

④請用文字描述圖4所示的實驗結果。

⑤嘗試用箭頭和形狀建構C3、C5、C02和（CH2。）之間的轉化關系。

(CHQ)

【小組合作探究】嘗試構建光合作用的暗反應過程示意圖:（上黑板演示）

【效果反饋】：

問題1:請同學們思考整個