【本讲教育信息】
一. 教学内容：
高三复习第四讲 植物光合作用
二. 学习内容：
本周学习光合作用的能量转换机理，详细了解光合作用过程中，从光能转化成稳定的化学能的过程，该过程所需的结构基础，物质基础，能量转换形式。了解光合作用能量的储存、利用等知识。掌握C3途径和C4途径的基本过程，光合作用的应用，特别是在应用过程中，掌握分析光合作用的方法，即在生产实际中的应用。
三. 学习重点：
光合作用的能量转变过程
光合作用的能量转换中活性物质的作用
四. 学习难点：
光合作用的能量转换过程
光合作用中的色素和辅酶
五. 复习过程
（一）概念
光合作用：绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并释放出氧的过程。
理解：
1. 存在范围：主要是绿色植物
2. 进行条件：光照条件
3. 进行场所：细胞内的叶绿体
4. 反应原料：二氧化碳，水
5. 反应产物：有机物，氧气
6. 反应意义：将光能吸收后，转换成生物可利用的化学能，是一切生物存在的基础代谢之一。
（二）光合作用的发现：
1771年 英国 普里斯特利 玻璃罩内小鼠生存实验
1864年 德国 萨克斯 证明绿色叶片合成了淀粉
1880年 德国 恩吉尔曼 水绵产生氧气实验
20世纪30年代 美国 鲁宾，卡门 光合作用所释放的氧全部来自水
详细了解四个实验的设计及操作，实验所得结果的解释是否合理？是否是单一因素作用？实验的巧妙之处在哪？
（三）叶绿体中的色素
叶绿体是如何将光能转换化学能储存起来的。
在叶绿体的基粒片层——类囊体上，分布着许多色素分子，包括叶绿素，类胡萝卜素，这些色素分子能够吸收光子，自身被激发，进而将能量传递给别的色素分子，最终由一种色素分子接受能量并完成能量的转换，形成不稳定的化学能——活跃化学能，在叶绿体基质中，这些活跃化学能被用来合成有机物，从而完成从光能向稳定化学能的转变。
用纸层析法可以将四种色素分离开。在滤纸条上出现4条色素带，从上到下依次是橙黄色、黄色、蓝绿色、黄绿色，通过吸收光谱实验。
叶绿素a，叶绿素b 主要吸收蓝紫光，红橙光
胡萝卜素，叶黄素 主要吸收蓝紫光
叶绿体色素的对比
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项目 |
颜色 |
吸收光谱 |
纸层析图谱 |
功能 |
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叶绿素 |
叶绿素a 叶绿素b |
蓝绿色 黄绿色 |
红光，蓝紫光 蓝紫光，红光 |
中下层，蓝绿色 最下层，黄绿色 |
部分能吸收，转换光能 |
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类胡萝卜素 |
胡萝卜素 叶黄素 |
橙黄色 黄光 |
蓝光 蓝紫光 |
最上层，橙色 中上层，黄色 |
吸收、传递光能作用 |
（四）光合作用的过程：
关系式：
光合作用过程极为复杂，包括许多化学反应，根据是否需要光能参与，光合作用过程分为两个阶段。
光合作用的能量转换
1. 光合作用：是叶绿体内进行的复杂的能量转换和物质变化过程。
A. 光反应阶段：必须有光能才能进行，在叶绿体内的类囊体结构上进行的。
a. 完成两个转变：
（1）水分子分解成氧和氢［H］，氧直接以分子形式释放出氢［H］则被传递到叶绿体内的基质中。实现了光能向活跃化学能转变，即生成还原氢［H］。
（2）在有关酶的催化下，促成ADP与Pi发生反应形成ATP。也实现了光能的转换，能量储存在ATP中可被各种代谢过程利用。
b. 光能在叶绿体中的转换：
三阶段：
光能转换成电能
光反应阶段
电能转换成活跃的化学能
光反应阶段
活跃的化学能转换成稳定的化学能 暗反应阶段
①
光能转换成电能
场所：叶绿体类囊体膜上
物质：叶绿体色素——色素有序排列在类囊体膜上
a. 具有吸收和转换光能作用的色素
绝大多数的叶绿素a
全部的叶绿素b，胡萝卜素，叶黄素
这些色素吸收光能，通过共振传递光能给特殊状态的叶绿素a
b. 少数处于特殊状态的叶绿色a，吸收、传递、转换光能
吸收其他色素传来的光能，将其转换成电能
能量传递转换过程：A：处于特殊状态的叶绿素A分子
C：电子供体 D：电子受体
在光的照射下，少数处于特殊状态的叶绿素A不断失去电子和获得电子，从而形成电子流，光能就不断的转换成了电能。
② 能转换成活跃的化学能
辅酶Ⅱ：烟酰胺酰嘌呤二核苷磷酸，英文简写NADP+
NADP+能得到两个电子和一个还原氢生成NADPH（还原性辅酶Ⅱ）
物质转换：NADP+ +2e +H+ 
NADPH
能量转换：电能
活跃的化学能
同时，叶绿体利用光能转换成的另一部分电能，将ADP转换成ATP，以活跃的化学能的形式储存起来。
NADPH是很强的还原剂，可以将二氧化碳最终还原成糖类等有机物，自身被氧化成NADP+继续接受电子
B. 暗反应阶段：没有光能也可以进行，在叶绿体基质中进行，
第一步：
的固定 从外界吸收的二氧化碳，与一种含有五个碳的化合物结合。
第二步：的还原 被
固定后，形成两个含有三个碳原子的化合物
，在酶的催化作用下，一些接受ATP释放出的能量并且被氢［H］还原，然后经一系列复杂的反应形成糖类。
另一些三碳化合物则经过复杂变化，又形成，循环反应。
光合作用的产物可以是糖类和氧，而且一部分氨基酸和脂肪也是光合作用的直接产物。
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项目 |
光反应 |
暗反应 |
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物质转变 |
H2O——O2 ADP——ATP NADP+——NADPH |
CO2——C6H12O6 ATP——ADP NADPH——NADP+ |
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能量转变 |
光能——电能——活跃化学能 |
活跃化学能——稳定化学能 |
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贮存能量 |
量子
电子 ATP，NADPH |
碳水化合物等 |
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反应部位 |
基粒类囊体膜 |
叶绿体基质 |
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时间 |
10－15～10－9 10－10～10－4 1～10 秒 |
10～100秒 |
（五）C3途径和C4途径
1. 概念
C3途径：在光合作用过程中，CO2中的C首先转移到C4中，然后才转移到C3中继续合成的途径
C4途径：光合作用过程中，将CO2固定后直接形成C3的途径
C3植物：具有C3途径光合作用的植物
C4植物：具有C4途径光合作用的植物
C4途径的发现：同位素标记示踪
用O2作光合原料
90%的14C出现在四碳有机酸中（C4）
光合作用进行
C4中的14C减少，C3中的14C增加
推 论
先合成C4，再合成C3
2. C3植物和C4植物结构特点
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项目 |
C3植物 |
C4植物 |
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维管束鞘细胞 |
不含叶绿体 |
呈“花环”结构，细胞较大，排列紧密，含无基粒的叶绿体，且数量多，个体大 |
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叶肉细胞 |
细胞排列疏松，都含叶绿体 |
围绕维管束鞘的一圈细胞排列紧密，含有正常叶绿体 |
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地理分布 |
适于温度较低的环境中，温带和寒带地区 |
适于温度较高地区，热带和亚热带地区 |
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进化鉴别 |
进化中出现较早，蕨类、裸子植物和木本植物都是C3植物 |
进化中出现较晚，比C3植物高等；只有在草本植物中才有C4植物 |
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常见植物 |
大麦、大豆、马铃薯、菜豆、菠菜等 |
高粱、玉米、甘蔗、苋菜等 |
由于C3植物和C4植物在结构上的差异，两者在固定CO2时有不同的途径
3. C4植物光合作用的特点
A. 基本过程：
（1）CO2在叶肉细胞叶绿体中在酶的催化下被磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）固定，形成草酰乙酸（C4）
（2）C4进入维管束鞘细胞的叶绿体中，释放一个CO2，形成丙酮酸
（3）丙酮酸再次进入叶肉细胞叶绿体，在酶的作用下，由ATP供能，转化为PEP，继续固定CO2
（4）CO2被C5固定，快速生成两个C3
（5）在酶的作用下，一部分C3接受ATP和NADPH释放出的能量，且被NADPH还原，经过一系列变化形成糖类等有机物
（6）另一部分C3经过复杂的变化形成C5，维持暗反应的进行
B. 过程图解：
C. 基本特点：
（1）在C4植物中有C4途径也有C3途径
（2）C4途径发生在叶肉细胞的叶绿体中，C3途径发生在维管束鞘细胞的叶绿体中
（3）C4途径起到传递集中CO2作用，将外界的光合原料传递到维管束鞘细胞叶绿体内合成有机物
（4）在传送CO2的过程中，要消耗能量，来自ATP提供能量
（5）二氧化碳的转移通过草酰乙酸、丙酮酸完成，不是气体直接通过细胞传递
（6）C4途径中固定CO2的酶（PEP羧化酶）有很强的亲和能力，可以将大气中的低浓度CO2固定下来
（7）C4途径固定CO2的能力要比C3途径中的强，起到CO2泵的作用，提高了C4植物利用CO2的能力
干旱条件下，叶片气孔关闭，C4植物能利用叶肉细胞间隙的低浓度CO2光合，C3植物不能
4. 光合作用的意义：
为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质来源和能量来源。
（1）制造数量巨大的有机物，将太阳能转化成化学能，贮存在光合作用制造的有机物中。
（2）维持大气中氧和二氧化碳含量的相对稳定
（3）对生物进化具有重要作用。（蓝藻制氧、臭氧层的形成）
5. 光合作用效率
光合效率：绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含的能量，与光合作用中吸收的光能的比值
提高作物产量方法：
6. 光强对光合作用的影响
A. 光照的重要性：是光合作用基本条件，直接影响作物的光合作用效率
B. 光强的影响：不同的作物对光照的强弱需求不同
阳生植物在光强不足时生长不良，不利产量的提高；阴生植物在光强太弱不利生长，但是光强太强甚至有伤害作用。
C. 光成分的影响：不同颜色的光对农作物的光合作用效率有一定的影响
a. 对光合效率的影响
能量相等的单色光照射绿色植物：
红光和蓝紫光有利于提高光合作用效率
黄绿光不利于提高光合作用效率
b. 对光合作用产物的成分的影响
不同的单色光照射绿色植物
蓝紫光照射，光合产物中蛋白质和脂肪含量较多
红光照射下，光合产物中糖类较多
7. 二氧化碳的供应
影响：
a. CO2浓度很低时，绿色植物不仅不能制造有机物，还消耗体内的有机物（曲线在X轴下方）
b. 在一定浓度范围内，光合作用强度随CO2浓度的增加而加强（X轴上方曲线斜率为正）
c. 达到一定浓度后，光合作用强度不再随CO2浓度的改变而改变（斜率为0部分）
d. 继续提高CO2浓度，光合强度下降（斜率为负部分）
该曲线的纵轴单位：单位时间内，单位面积叶片生成有机物的量，用CO2表示。曲线的绘制考虑到光合作用和呼吸作用的共同影响，是植物的净光合作用。
应用：
通常作物周围的CO2浓度比较的低，随着光合作用的进行还会降低，作物常处“CO2饥饿状态”。
8. 必须矿质元素的供应
矿质元素的重要作用：
催化光合作用过程中的各种酶
氮 NADP+和ATP的重要组成成分
叶绿素、植物激素的组成元素
NADP+和ATP的重要组成成分
磷 叶绿体膜结构和功能
参与植物的呼吸作用
矿质元素对光合的影响
氮：缺乏时，植株矮小，叶小色淡（叶绿素含量少），花少，籽实不饱满
过多时，叶大鲜绿，光合旺盛，营养生长旺盛，机械组织不发达，易倒伏
磷：缺乏时，蛋白质合成受阻，抗性降低
用磷脂酶将离体叶绿体膜上的磷脂水解，光合其他条件具备但过程受阻
钾：对糖类的合成和运输影响，促进蛋白质的合成，各种酶的辅助因子
光合作用合成糖类，将糖类运输到块根、块茎和种子等器官
植物对矿质元素的利用需要适量，过多过少都会造成不良的影响。缺乏任何一种矿质元素都会引起特有的生理病症。每种植物的病症因缺乏的元素的种类和数量。不同元素间相互作用，病症更复杂。
应用：
钾供应充足，糖类合成加强，纤维素木质素含量高，茎秆坚韧，抗倒伏。
叶菜多施氮肥，籽实类作物后期不宜大量施氮肥
【模拟试题】
1. 1864年，德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处几小时，然后把此叶片一半遮光，一半曝光。经过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，成功地证明绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。据此回答以下三道题：
（1）在此实验中，萨克斯看到的现象是（ ）
A. 叶片全变蓝
B. 遮光一半变蓝
C. 曝光一半变蓝
D. 叶片全不变蓝
（2）在上述实验中，萨克斯将绿色叶片先放在暗处几小时的目的是（ ）
A. 将叶片中的水分消耗掉 B. 将叶片中原有的淀粉消耗掉
C. 增加叶片的呼吸强度
D. 提高叶片对光的敏感度
（3）在上述实验中，萨克斯对这个实验的设计具有很强的逻辑上的严密性，具体体现在（ ）
A. 没有对照实验
B. 本实验不需要设对照实验
C. 曝光处作为对照实验
D. 遮光处作为对照实验
2. 叶绿素不溶于（ ）
A. 水
B. 石油醚 C. 丙酮
D. 苯
3. 在做植物实验的暗室内，为了尽可能地降低植物光合作用的强度，最好安装（ ）
A. 红光灯 B. 绿光灯 C. 白炽灯 D. 蓝光灯
4. 叶绿体是植物进行光合作用的细胞器，光能的吸收发生在叶绿体的（ ）
A. 内膜上 B. 基质中 C. 片层膜上
D. 各部位上
5. 下图是生态系统中由主要生产者所进行的某种活动，试据图回答：
（1）该生理活动的名称是
。
（2）它主要是在叶肉细胞内被称为 的细胞器中进行的。
（3）图中字母A、B、C各自所代表的名称是A B
C
（4）需要消耗物质A和B的生理过程③的名称是
。
（5）图中编号①所表示的生理过程是
。
（6）如果在该细胞器基质中的酶因某种原因而被破坏，则这一生理活动过程的两个阶段中，最先受到影响的阶段是
。
（7）色素吸收的 能，在这一生理活动过程的 阶段，部分被转移到 中，转变为活跃的化学能，再经过这一生理过程的
阶段，转变为
化学能。
6. 某植物体经10小时光照，测得有300mg的氧产生。
请计算10小时内植物体积累葡萄糖的量。
7. 用高速离心法打破叶绿体的外膜与内膜，基粒和基质便释放出来，然后做下列实验：
实验四：将除去基粒后的上述实验均处于光照下或不照光处理（即处理1和处理2），两者实验结果相同。
分析上述实验：
（1）光反应的产物中有
。 （2）暗反应的场所是 。
（3）光反应的场所是
。 （4）实验四证明了
。
（5）上述实验证明，完成光合作用的基本单位是
。
8. 1930年著名科学家鲁宾和卡门设计了一个实验，用同位素C18O2研究绿色植物的光反应过程，实验如下图所示，图中容器内为小球藻悬液。
（1）甲图中的A代表___________，它来源于___________。
（2）乙图中的Ｂ代表___________，它来源于___________。
（3）本实验说明______________________________________。
（4）若甲图中供给12mol C18O2，则能产生___________mol氧气。
9. 科学家发现生长在高温、强光照和干旱环境中的植物气孔关闭，C4植物能利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用，C3植物则不能。
（1）取自热带不同生境下的甲、乙两种长势良好，状态相似的草本植物，已知甲是C4植物，乙不知其光合作用固定CO2的类型。请利用一个密闭大玻璃钟罩，完成初步判别乙植物是C3植物还是C4植物的实验：
原理：
方法：将植物甲和植物乙一同栽种于密闭钟罩下，给予
条件培养。连续若干天观察记录它们的生长情况。
预期结果：
①
②
对结果的分析：
（2）对于以上的分析，用显微镜从形态学方面加以进一步验证。
方法：制作乙植物的叶片过叶脉横切的临时切片，用显微镜观察。
结论：如果视野中看到
，乙是C3植物；如果看到的是
，则乙是C4植物。
（3）研究性学习小组欲观察两种植物光合作用形成的淀粉粒在叶片内的位置有何不同， 用碘液对叶片染色后制成的横切片在显微镜下只能看到绿色颗粒，却看不到淀粉粒，这一操作过程的错误是
10. 下图为四种植物（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）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生长的植物是（ ）
A. I
B. II
C. III
D. IV
11. 在植物的种间竞争中，根竞争与枝竞争之间有相互作用。
为了区分根竞争和枝竞争的相对影响，设计了甲、乙两种植物的实验，如下图所示：
① 单独生长 ② 根和枝同时竞争 ③ 枝分开，根间竞争 ④ 根分开，枝间竞争
实验结果以单独生长的植物干重为100%，各试验结果中甲植物干重情况如下
A. ①＞②＞④＞③
B. ①＞③＞②＞④
C. ①＞④＞③＞②
D. ①＞③＞④＞②
12. 在适宜的温度、水分和CO2供应下，测得不同植物光合作用量值（环境CO2减少量），如下图所示。下列几组叙述中，正确的是（ ）
①
该实验条件下，影响植物CO2吸收量增加或减少的主要生态因素是光
② 在同等光照条件下，玉米比小麦的光合作用产量高
③ 小麦、玉米和高粱等农作物光合作用量比野生草本的要高，这与人工选择的作用有关
④ 阴生植物总是比阳生植物光合作用的效率低，因此，阴生植物总是比阳生植物生长得慢
A. ①②
B. ③④ C. ①②③ D. ①②③④
13. 在温室内进行无土栽培，请回答下列问题：
（1）春季天气晴朗、光照充足时，为使作物增产，除满足矿质元素的需求外，应采取的措施是___________。
（2）当阴雨连绵、光照不足时，温室温度应___________，以降低蔬菜的___________。
（3）向培养液中充入空气的目的是____________________。
（4）培养液中的矿质元素有一定配比，这些矿质元素在植物体内的作用是：
①___________________________________；
②_____________________________________。
14. 一学生做了这样一个实验：将小球藻放在一只玻璃容器内，使之处于气密封状态。实验在保持适宜温度的暗室中进行，并从第5分钟起给予光照。实验中仪器记录了该容器内氧气量的变化，结果如下图所示。请据图分析回答：
（1）在0～5分钟之间氧气量减少的原因是
。
（2）给予光照后氧气量马上增加的原因是
。
（3）加入少量的NaHCO3溶液后，氧气产生量呈直线上升，这是因为
。这个结果对农业生产有一定的实际意义，即在光照充足的条件下，要提高大棚作物的产量，可以
。
（4）加入NaHCO3溶液后，植物光合作用平均每分钟产生 摩尔的氧气。
【试题答案】
1. （1）C （2）B （3）D 2. A 3. B 4. C
5.（1）光合作用
（2）叶绿体 （3）ATP NADPH （CH2O）
（4）C3化合物的还原 （5）水在光下分解 （6）Ⅱ暗反应
（7）光；Ⅰ光反应；NADPH；Ⅱ暗反应；糖类等有机物中稳定的
6. 281. 3mg
7.（1）ATP和[H]
（2）叶绿体基质
（3）叶绿体基粒
（4）暗反应不需要光
（5）叶绿体
8.（1）O2；H2O （2）18O2；H218O
（3）光合作用过程中产生的O2的氧元素来自H2O
（4）12
9.（1）原理：在高温、干旱和强光照下，随着植物光合作用的进行，造成密闭钟罩内CO2浓度逐渐降低，C4植物能利用较低浓度的CO2生长良好，而C3植物不能
方法：高温、强光照和干旱
预测结果：①
乙植物与甲植物生长状态相似
②
乙植物逐渐枯萎，而甲依然健壮
对结果的分析：若出现第①种情况，乙植株为C4植物；出现第②种情况，乙植株为C3植物
（2）没有“花环型”结构或维管束鞘细胞中没有叶绿体 有“花环型”结构或维管束鞘细胞有叶绿体（3）绿色叶片应该先在热的酒精中脱去叶绿素，再去染色、制片
10. D 11. D 12. C
13.（1）补充二氧化碳 （2）适应降低；呼吸作用
（3）促进根系有氧呼吸 （4）① 作为原生质的组成部分 ② 调节生命活动
14.
（1）植物处于黑暗条件下，只进行呼吸作用消耗氧气
（2）植物光合作用强于呼吸作用，氧气的释放量大于消耗量，容器中的氧气量增加
（3）二氧化碳浓度增加促进了植物的光合作用，产氧量增加；适当增加二氧化碳浓度
（4）5×10－8