2025生物一輪復習第3單元

細胞的能量供應和應用第11講

光合作用的原理2025年高考一輪復習第11講

光合作用的原理1.說明植物細胞中的葉綠體從太陽光中捕獲能量，這些能量在二氧化碳和水轉變?yōu)樘呛脱鯕獾倪^程中，轉換并儲存為糖分子中的化學能。課標要求：對標課本：必修1分子與細胞

第5章

細胞的能量供應和利用（第4節(jié)）2.實驗：提取和分離葉綠體色素。PART01回歸課本

強基固本●捕獲光能的色素●葉綠體的結構適于進行光合作用●光合作用的原理捕獲光能的色素在自然界，萬物生長靠太陽，太陽光能的輸入、捕獲和轉化，是生物圈得以維持運轉的基礎。光合作用是唯一能夠

光能的生物學途徑。1.綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑

中，可用無水乙醇

綠葉中的色素。無水乙醇捕獲和轉化對于高等植物來說，

是進行光合作用的主要器官，這些葉片是綠色的，說明其中有綠色的色素。葉片中的色素可能與光能的捕獲有關。葉片實驗原理：2.由于色素存在于細胞內，需要先破碎細胞才能釋放色素。綠葉中的色素不只一種，它們都能溶解在

中，不同色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散的快，反之則慢。這樣，色素就會隨著層析液在濾紙上擴散而

。提取層析液實驗：綠葉中色素的提取和分離分開捕獲光能的色素實驗目的：1.進行綠葉中色素的提取和分離；2.探究綠葉中含有幾種色素。材料用具：1.材料：新鮮的綠葉（如菠菜的綠葉）。2.用具：干燥的定性濾紙、試管、棉塞、試管架、研缽、玻璃漏斗、尼龍布、毛細吸管、剪刀、藥匙、量筒（10ml）、天平等。3.試劑：無水乙醇（也可用體積分數為95%的乙醇加入適量的無水碳酸鈉代替），層析液（由20份在60~90℃下分餾出來的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成），二氧化硅和碳酸鈣。紙層析時層析液必須與水互不相容，因此酒精不適合用作層析液。捕獲光能的色素實驗步驟：1.提取綠葉中的色素（1）稱取5g綠葉，剪去主葉脈，剪碎，放入研缽中；（2）向研缽中放入少許二氧化硅和碳酸鈣，再加入5~10mL無水乙醇，迅速、充分地進行研磨；加入二氧化硅有助于充分研磨，加入碳酸鈣可防止研磨中色素被破壞。無水乙醇用來溶解色素。（3）將研磨液迅速倒入玻璃漏斗（漏斗基部放一塊單層尼龍布）進行過濾。將濾液收集到試管中，及時用棉塞將試管口塞嚴；過濾除去的是葉脈、二氧化硅等物質，及時將試管口塞嚴是為了防止乙醇揮發(fā)，葉綠素氧化分解。捕獲光能的色素實驗步驟：2.制備濾紙條（2）再將濾紙的一端剪去兩角，并在距這一端底部1cm處用鉛筆畫一條細線。（1）將干燥的定性濾紙剪成略小于試管長與直徑的濾紙條；為什么要將濾紙的一端剪去兩角？防止兩側色素擴散快，色素帶不整齊，使擴散均勻。干燥濾紙鉛筆線1cm3.畫濾液細線（1）用毛細吸管吸取少量濾液沿鉛筆線均勻地畫出一條細線。也可將濾液倒入培養(yǎng)皿，再用蓋玻片蘸取濾液，在橫線處按壓出均勻地細線。（2）待濾液干后，再重畫一到兩次。濾液細線要求：細、齊、直，防止色素帶重疊！

目的：積累更多色素。捕獲光能的色素實驗步驟：4.分離濾液中的色素將適量的層析液倒入試管中，將濾紙條（有濾液細線的一端朝下）輕輕插入層析液中，隨后用棉塞塞緊試管口。不能讓濾液細線觸及層析液，否則濾液細線中的色素會被層析液溶解，而不能在濾紙上擴散。也可用小燒杯代替試管，用培養(yǎng)皿蓋住小燒杯。保證密封狀態(tài)，防止層析液揮發(fā)（有毒）。層析液培養(yǎng)皿濾液線5.觀察和記錄（1）觀察試管中濾紙條上出現(xiàn)了幾條色素帶，以及每條色素帶的顏色和寬窄，將觀察結果記錄下來。（2）分離色素這一步應該在通風條件下進行，實驗結束用肥皂將手洗干凈。捕獲光能的色素實驗結果：1.濾紙條上有幾條色素帶？它們是按照什么次序分布的？濾紙條上有4條不同顏色的色帶，從上往下依次為：橙黃色、黃色、藍綠色、黃綠色。2.濾紙條上色素帶的分布說明了什么？濾紙條上的色素帶說明綠葉中的色素有4種，它們在層析液中的溶解度不同，隨層析液在濾紙上擴散的快慢也不一樣。色素帶顏色色素種類色素帶寬窄色素含量擴散速度溶解度橙黃色黃色藍綠色黃綠色胡蘿卜素葉黃素葉綠素a葉綠素b最窄較窄最寬較寬最少較少最多較多最快較快較慢最慢最高較高較低最低捕獲光能的色素（1）收集的濾液綠色過淺的原因分析未加碳酸鈣，部分色素被破壞。菠菜葉不新鮮，濾液色素(葉綠素)太少。情況1：提取色素少未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。情況2：溶劑多，加入無水乙醇過多，提取液濃度太低；情況3：操作不到位；畫濾液細線沒有重復；濾液細線觸及層析液，導致部分色素溶解在層析液中。（2）濾紙條上的色素帶重疊a.濾液細線不齊；b.濾液細線過粗；c.濾紙條沒經干燥處理。實驗結果分析：捕獲光能的色素實驗結果分析：（3）濾紙條上沒有色素條帶色素沒有提取出來；沒有畫濾液細線；濾液細線觸及層析液，色素全部溶解在層析液中。除了用濾紙條分離色素外，還可以有其他的方法嗎？胡蘿卜素葉黃素葉綠素a葉綠素b在濾紙的中央滴一滴色素提取液；再滴一滴層析液；色素隨層析液擴散，會得到近似同心環(huán)的4個色素圈。捕獲光能的色素實驗結論：類胡蘿卜素葉綠素胡蘿卜素葉黃素葉綠素a葉綠素b（占1/4）（占3/4）（橙黃色）（黃色）（藍綠色）綠葉中的色素（黃綠色）綠葉中的色素有4種，它們可以歸為兩大類：這4種色素對光的吸收有什么差別呢？陽光（白光）在穿過三棱鏡時，不同波長的光會分散開，形成不同顏色的光帶，稱為光譜。分別讓不同顏色的光照射色素溶液，就可以得到色素溶液的吸收光譜。捕獲光能的色素對照組實驗組研究人員做了以下探究：設置兩組實驗，陽光光通過三棱鏡為對照組，將陽光先通過提取的色素濾液后再通過三棱鏡為實驗組，對比兩組實驗結果表明：葉綠素a和葉綠素b主要吸收

，胡蘿卜素和葉黃素主要吸收

。藍紫光和紅光藍紫光光是一種電磁波，可見光的波長是400~760nm。不同波長的光，顏色不同。波長小于400nm的光是紫外光，波長大于760nm的光是紅外光。一般情況下，光合作用所利用的都是可見光?？茖W家在19世紀早期就從植物細胞中分離出葉綠素，但并不清楚色素在植物細胞中的分布情況。后來，科學家才知道，葉綠素并不是遍布整個細胞，而是集中在一個小的結構里，這個結構就是——

。在光學顯微鏡下觀察葉肉細胞，可以看到葉綠體一般呈

。葉綠體內部更精細的結構，必須用電子顯微鏡才能看清楚。葉綠體扁平的橢球形或球形葉綠體的結構適于進行光合作用觀察電子顯微鏡下的葉綠體結構，可以看到：葉綠體由雙層膜包被，內部有許多基粒。每個基粒由一個個圓餅狀的囊狀結構堆疊而成，這些囊狀結構稱為

。類囊體吸收光能的4種色素就分布在

；類囊體薄膜上基粒與基粒之間充滿了基質；葉綠體基質中含有少量DNA、RNA和核糖體，可以合成部分自身蛋白質。1.葉綠體的結構葉綠體適于進行光合作用的結構特點：①葉綠體內含有大量的基粒，每個基粒都含有兩個或兩個以上的類囊體，多的可達100個以上。葉綠體有如此眾多的基粒和類囊體，極大地擴展了受光面積；葉綠體的結構適于進行光合作用②葉綠體內部巨大的膜表面上，分布著許多吸收光能的色素分子，在類囊體膜上和葉綠體基質中，還有許多進行光合作用所必需的酶。2.葉綠體的功能及實驗驗證德國科學家恩格爾曼做了實驗：把載有水綿（葉綠體呈螺旋帶狀分布）和需氧細菌的臨時裝片放在沒有空氣的小室內，在黑暗中用極細的光束照射水綿，發(fā)現(xiàn)細菌只向葉綠體被光束照射到的部位集中；如果把裝置放在光下，細菌則分布在所有受光部位。葉綠體的結構適于進行光合作用黑暗組：需氧細菌聚集在葉綠體被光照的區(qū)域。光照組：需氧細菌聚集在葉綠體上。現(xiàn)象：結論：氧氣是由葉綠體在光照條件下釋放出來了，葉綠體是光合作用的場所。恩格爾曼緊接著又做了一個實驗：用透過三棱鏡的光照射水綿臨時裝片，發(fā)現(xiàn)大量的需氧細菌聚集在紅光區(qū)和藍紫光區(qū)。實驗結論：葉綠體釋放氧氣主要利用的是紅光和藍紫光。恩格爾曼的實驗直接證明了葉綠體能吸收光能用于光合作用釋放氧。結合其他實驗證據，科學家們得出：葉綠體是光合作用的場所這一結論。葉綠體的結構適于進行光合作用恩格爾曼在選材、實驗設計上有什么巧妙之處？①選材好：水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀分布，便于觀察。

需氧細菌，可以確定釋放氧氣的部位。③排除了干擾：沒有空氣的黑暗環(huán)境，排除了O2和光的干擾。②觀測指標好：好氧細菌的分布進行檢測，準確判斷O2釋放的部位。④設置對照好：用極細的光束點狀投射，葉綠體上可分為有光和無光的部位，形成對照；局部光照和完全暴露在光下形成對照，再次證明完全由于光照引起。光合作用是指綠色植物通過

，利用

，把二氧化碳和水轉化成儲存著能量的

，并且釋放出

的過程。光合作用的原理CO2+H2O（CH2O）O2+光能葉綠體葉綠體使如何將光能轉化為化學能？又是如何將化學能儲存在糖類等有機物中的？光合作用釋放的氧氣，是來自原料中的水還是二氧化碳呢？1.概念：2.反應式：CO2+H2O（CH2O）O2+光能葉綠體CH2O19世紀末人們認為：1928年，科學家發(fā)現(xiàn)甲醛對植物有毒害作用，且甲醛不能通過光合作用轉化為糖。葉綠體光能有機物氧氣光合作用的原理3.探索光合作用原理的部分實驗：（1）1937年，英國科學家希爾發(fā)現(xiàn)：在離體的葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑（懸浮液中有H2O，沒有CO2），在光照下可以釋放出氧氣。像這樣，離體葉綠體在適當條件下發(fā)生水的光解、產生氧氣的化學反應稱作希爾反應。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來自水？不能說明。希爾反應僅說明了離體葉綠體在適當條件下可以發(fā)生水的光解，產生氧氣。該實驗沒有排除葉綠體中其他物質的干擾，也沒有直接觀察到氧元素的轉移。希爾的實驗能否說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應？能說明。希爾反應是離體葉綠體在懸浮液中進行，沒有合成糖的的原料CO2，說明兩個反應相對獨立。利用同位素示蹤法光合作用的原理3.探索光合作用原理的部分實驗：（2）1941年，美國科學家魯賓和卡門利用同位素示蹤的方法研究了光合作用中氧氣的來源。實驗結果發(fā)現(xiàn)，在其他條件都相同的情況下，第一組釋放的氧氣都是O2，第二組釋放的都是18O2，說明光合作用釋放的氧氣中氧元素都來源于H2O。（3）1954年，美國科學家阿爾農發(fā)現(xiàn)，在光照下，葉綠體可合成ATP。1957年，他發(fā)現(xiàn)這一過程總是與水的光解向伴隨。嘗試用示意圖來表示ATP的合成與希爾反應的關系：光合作用的原理4.光合作用的過程：光合作用包括一系列化學反應，根據是否需要

，這些反應可以概括地分為

和暗反應（現(xiàn)在也稱為

反應）兩個階段。光能光反應碳（1）光反應階段：光合作用的第一階段的化學反應，必須有光才能進行。場所：

；①水的光解：②NADPH的合成：③ATP的合成：類囊體薄膜物質變化：葉綠體中的色素ADP+PiATPH2OO2光解NADP+NADPH酶酶2H2OO2光能葉綠體4H+++4e-NADP+NADPH酶H+++2e-ADPATP色素、酶Pi++能量光能量變化：光能轉化為活躍的化學能，儲存在ATP和NADPH中。不能描述為光能轉化為ATP和NADPH。H+光合作用的原理4.光合作用的過程：葉綠體中的光合色素吸收的光能，有以下兩方面用途。一是將水分解為

，氧直接以氧分子的形式釋放出去，H+與氧化型輔酶II（NADP+）結合，形成還原型輔酶II（NADPH）。NADPH作為活潑的

，參與暗反應階段的化學反應，同時也

供暗反應階段利用。氧和H+【相關信息】水分解為氧和H+的同時，被葉綠體奪去兩個電子，電子經傳遞，可用于NADP+和H+結合形成NADPH。二是在有關酶的催化作用下，提供能量促使ADP和Pi反應生成ATP。這樣，光能就轉化為儲存在ATP中的化學能。這些ATP將參與第二階段合成有機物的化學反應。還原劑儲存部分能量光合作用的原理4.光合作用的過程：（1）暗反應階段：光合作用的第二階段的化學反應，有光沒有光都能進行。場所：

；葉綠體基質物質變化：

。CO2被利用，經過一系列反應后生成糖類CO2是如何轉變?yōu)樘穷惖哪兀?0世紀40年代，美國科學家卡爾文等用小球藻（一種單細胞綠藻）做了這樣的實驗：用經過14C標記的14CO2，供小球藻進行光合作用，然后追蹤放射性14C的去向，最終探明了CO2中的碳是如何轉化為有機物中的碳的。結論：CO2中C的轉移途徑是：CO2→C3→（CH2O）光合作用的原理4.光合作用的過程：（2）暗反應階段：光合作用的第二階段的化學反應，有光沒有光都能進行。場所：

；葉綠體基質物質變化：

。CO2被利用，經過一系列反應后生成糖類C52C3ATP多種酶酶(CH2O)CO2固定還原NADPH酶NADP+ADP+Pi①CO2的固定：②C3的還原：CO22C3酶C5+（CH2O）C5酶2C3+ATP、NADPH能量變化：ATP和NADPH中活躍的化學能轉化為有機物中穩(wěn)定的化學能。暗反應產物中，有一部分是淀粉，還有一部分是蔗糖，蔗糖可以進入篩管，再通過韌皮部運輸到植株各處?？梢詾镃3還原提供能量和作為還原劑！一分子的CO2被固定后，很快形成了兩個C3分子。在有關酶的催化作用下，C3接受

釋放的能量，并且被

還原。光合作用的原理4.光合作用的過程：綠葉通過

從外界吸收CO2，在特定酶的作用下，與C5（一種五碳化合物）結合，這個過程稱作

。氣孔【相關信息】C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）。隨后，一些接受能量并被還原的C3，在酶的作用下經過一系列的反應轉化為糖類；另一些接受能量并被還原的C3,經過一系列的變化，又形成

。這樣C5又可以參與CO2的固定。CO2的固定NADPHATP和NADPHC5這樣，暗反應階段就形成從C5到C3再到C5的循環(huán)，可以源源不斷地進行下去，因此暗反應過程也稱作

?？栁难h(huán)光合作用的原理5.光反應階段與暗反應階段比較：光反應階段暗反應階段場所條件物質變化能量變化聯(lián)系葉綠體類囊體薄膜上葉綠體基質光、色素、酶有光無光都可，多種酶色素、酶2H2OO2+4H++4e-光ADP+Pi+能量

ATP酶光、色素NADP++H++2e-

NADPH酶CO2＋C52C3酶2C3(CH2O)+C5酶ATP、NADPH光能→ATP、NADPH中活躍的化學能ATP、NADPH中活躍的化學能→有機物中穩(wěn)定的化學能光反應為暗反應提供ATP和NADPH；暗反應為光反應提供ADP、Pi、NADP+等原料光合作用過程中的元素轉移途徑葉綠體中的色素ADP+PiATPH2OO2光解NADP+NADPH酶酶H+C52C3多種酶酶(CH2O)CO2固定還原酶①H元素轉移：H2ONADPH(CH2O)光反應暗反應②C元素轉移：CO2(CH2O)暗反應ⅠC3暗反應Ⅱ③O元素轉移：H2OO2光反應CO2(CH2O)暗反應ⅠC3暗反應Ⅱ化能合成作用在自然界中，除了光合作用，還有另外一種制造有機物的方式。少數種類的細菌，細胞內沒有葉綠素，不能進行光合作用，但卻能利用體外環(huán)境中的無機物氧化時所釋放的能量來制造有機物。例如，生活在土壤中的硝化細菌，能將土壤中的

氧化成

，進而將HNO2氧化成

。這兩個化學反應中釋放出的

，就能被硝化細菌用來將CO2和H2O合成糖類。這些糖類就可以供硝化細菌維持自身的生命活動。氨亞硝酸硝酸（HNO3）化學能NH3HNO2HNO3CO2+H2O（CH2O）能量作用機理：PART02

知識拓展

難點透析關于色素的幾個要點拓展1.塑料大棚中“塑料顏色”與“補光類型”的選擇（1）為提高光能利用率，塑料大棚栽培時常選擇“無色塑料”以便透過各色光，這是因為太陽的全色光透過時，各種顏色的光均可被作物吸收（黃綠色較少）。（2）陰天或夜間給溫室大棚補光時，宜選擇植物吸收利用效率最高的“紅光或藍紫光”燈泡，若利用白熾燈，則其中的“黃綠光”利用率極低，從節(jié)約能源角度用“紅光或藍紫光”燈泡最佳。植物工廠里為什么不用發(fā)綠光的光源？綠色光源發(fā)出的綠光，這種波長的光不能被光合色素吸收，無法用于光合作用制造有機物。關于色素的幾個要點拓展1.葉綠素（1）結構：（2）組成元素：C、H、O、N、Mg（3）影響葉綠素合成的因素：光照：影響葉綠素合成的主要因素，一般植物在黑暗中不能合成葉綠素，葉片發(fā)黃；溫度：影響葉綠素合成有關的酶活性，進而影響葉綠素合成；必需元素：缺乏N、Mg等必需元素，導致葉綠素無法合成，葉片變黃。為什么樹葉大多是綠色的？到了秋天又會變黃？而有些樹葉如楓葉則會變紅？關于色素的幾個要點正常葉片中葉綠素和類胡蘿卜素的比例約為3:1，且對綠光吸收最少，綠光被反射回來，所以葉片呈現(xiàn)綠色。寒冷時，葉綠素分子易被破壞，類胡蘿卜素較穩(wěn)定，葉片呈顯出類胡蘿卜素的顏色而變黃。秋天降溫時，植物體為適應寒冷環(huán)境，體內積累了較多的可溶性糖，有利于形成紅色的花青素，而葉綠素因寒冷而逐漸降解，葉片呈顯紅色。注意！不是類胡蘿卜素合成增多所致。比較項目光合色素細胞液色素存在部位葉綠體液泡溶解性脂溶性水溶性代表種類類胡蘿卜素和葉綠素花青素顏色橙黃、黃、綠紅、藍、紫顏色變化不隨pH改變變化顏色隨pH改變變化顏色舉例胡蘿卜、綠葉色素花、果實的色素關于色素的幾個要點光合色素VS細胞液色素：光合作用的原理光照強度減弱后，短時間內葉綠體內的C5、C3、NADPH和ATP的含量如何變化？CO2濃度下降后，短時間內葉綠體內的C5、C3、NADPH和ATP的含量如何變化？光強↓光反應減弱C3→C5↓，C5→C3不變C3↑C5↓NADPH合成↓ATP合成↓CO2↓CO2固定受阻C3↓C5↑C3還原受阻NADPHATP↑↑拓展光合作用的原理光照強度減弱后，短時間內葉綠體內的C5、C3、NADPH和ATP的含量如何變化？CO2濃度下降后，短時間內葉綠體內的C5、C3、NADPH和ATP的含量如何變化？光強↓光反應減弱C3→C5↓，C5→C3不變C3↓C5↑NADPH合成↓ATP合成↓CO2↓CO2固定受阻C3→C5不變C5→C3↓C3還原受阻NADPH↓ATP↓拓展PART03鏈接高考

真題演練

1.[2024·河北卷]高原地區(qū)藍光和紫外光較強，常采用覆膜措施輔助林木育苗。為探究不同顏色覆膜對藏川楊幼苗生長的影響，研究者檢測了白膜、藍膜和綠膜對不同光的透過率，以及覆膜后幼苗光合色素的含量，結果如圖、表所示。真題演練覆膜處理葉綠素含量（mg/g）類胡蘿卜素含量（mg/g）白膜1.670.71藍膜2.200.90綠膜1.740.65回答下列問題：（1）如圖所示，三種顏色的膜對紫外光、藍光和綠光的透過率有明顯差異，其中_____光可被位于葉綠體

上的光合色素高效吸收后用于光反應，進而使暗反應階段的C3還原轉化為________和________。與白膜覆蓋相比，藍膜和綠膜透過的________較少，可更好地減弱幼苗受到的輻射。藍類囊體薄膜C5糖類紫外光1.[2024·河北卷]高原地區(qū)藍光和紫外光較強，常采用覆膜措施輔助林木育苗。為探究不同顏色覆膜對藏川楊幼苗生長的影響，研究者檢測了白膜、藍膜和綠膜對不同光的透過率，以及覆膜后幼苗光合色素的含量，結果如圖、表所示。真題演練覆膜處理葉綠素含量（mg/g）類胡蘿卜素含量（mg/g）白膜1.670.71藍膜2.200.90綠膜1.740.65（2）光合色素溶液的濃度與其光吸收值成正比，選擇適當波長的光可對色素含量進行測定。提取光合色素時，可利用________作為溶劑。測定葉綠素含量時，應選擇紅光而不能選擇藍紫光，原因是____________________________________________________________________________________________________。乙醇葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，類胡蘿卜素主要吸收藍紫光，選擇紅光可以排除類胡蘿卜素的干擾1.[2024·河北卷]高原地區(qū)藍光和紫外光較強，常采用覆膜措施輔助林木育苗。為探究不同顏色覆膜對藏川楊幼苗生長的影響，研究者檢測了白膜、藍膜和綠膜對不同光的透過率，以及覆膜后幼苗光合色素的含量，結果如圖、表所示。真題演練覆膜處理葉綠素含量（mg/g）類胡蘿卜素含量（mg/g）白膜1.670.71藍膜2.200.90綠膜1.740.65（3）研究表明，覆蓋藍膜更有利于藏川楊幼苗在高原環(huán)境的生長。根據上述檢測結果，其原因為:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。覆蓋藍膜紫外