光合作用与能量转化（第三课时）学案-高一上学期生物人教版必修1.docx

学习任务单课程基本信息学科生物学年级高一学期秋季课题光合作用与能量转化（第三课时）教科书书 名：生物学 必修1 分子与细胞 教材出版社：人民教育出版社 出版日期：2019年6月学生信息姓名学校班级学号学习目标1.关注CO2人工合成淀粉技术,理解光合作用原理研究与技术发展之间的关系,认同人工合 成淀粉技术对社会的价值和意义,能够正确运用生物学知识和观念参与相关社会事务的讨 论。2.阅读科学史上经典实验,学会分析科学家的实验设计和实验结果,学习如何根据证据作出合理判断得出实验结论，体会科学家质疑、求实、勇于创新的科学精神和科学态度。3.学会从物质与能量视角，探索光合作用原理，阐明光合作用光反应和暗反应阶段反应过程中的物质和能量变化，设计并撰写表格比较和分析光反应和暗反应阶段的区别和联系。4.学会从结构与功能相联系的视角，理解并说明光合作用各阶段的场所，阐明叶绿体结构和功能的统一性，并运用所掌握知识，通过设计光合作用原理示意图建构模型。课前学习任务预习资料2021年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员带领团队在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。核磁共振等检测发现，人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。实验室初步测试显示，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下，按照目前技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。这条新路线使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能，为从CO2合成复杂分子开辟了新的技术路线。相关研究成果以题为“Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide”发表于最新一期Science上。研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式，利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在氢气作用下还原成一碳（C1）化合物，然后通过设计构建一碳聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将一碳化合物聚合成三碳（C3）化合物，最后通过生物途径优化，将三碳化合物又聚合成六碳（C6）化合物，再进一步合成淀粉（Cn化合物），合成简图如下图所示。马延和研究员表示，该成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗，如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展。预习任务：请同学们结合图文资料思考并回答以下问题： 人工合成淀粉的原理和光合作用有相似之处吗？ 由二氧化碳合成有机物时C被氧化还是被还原？ 人工合成淀粉过程中需要添加ATP提供能量吗？ 人工合成淀粉对社会发展有什么意义？课上学习任务【学习任务一】资料1：探究光合作用过程中氧气的生成1.1 1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）发现，在不加入二氧化碳的情况下，离体叶绿体悬浮液照光不能产生氧气；若在离体叶绿体悬浮液中加入植物细胞提取液，照光，可产生氧气；若在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其它能够接受电子的氧化剂，照光，也可以产生氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。1.2 1941年，美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2使它们分别变成H218O和C1802。然后，进行了两组实验:第一组给植物提供H2O和 C1802，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。1.3 1951年，塞维罗·奥乔亚（S. Ochoa）发现若在离体叶绿体悬浮液中加入NADP+，在光照条件下可以生成氧气，并生成NADPH。任务1.1 光合作用生成O2中的O从何而来？请同学们分析鲁宾和卡门的实验过程和结果，分析科学家设计实验的思路，完成下列表格。实验方法自变量因变量实验过程及结果反应物生成物第一组第二组科学家提出主张需要证据支持，证据通常来源于对自然界的观察、测量或实验的结果，而推理指使用恰当的科学概念或逻辑推理解释证据如何支持主张。请同学们阅读资料1.1和1.2的内容，完成下列示意图，阐述科学家如何证明光合作用生成氧气中的O全部来自于H2O。任务1.2 希尔反应中谁是接受电子的氧化剂？任务1.3 光合作用中谁是最终接受电子的氧化剂？小结：物质变化：光合色素接受光能后，从水中抢夺电子，O元素 电子被 生成O2。电子经传递后被 接受生成NADPH，生成的NADPH具有 性。能量转化： 。反应场所： 。【学习任务二】资料2：光合作用中ATP合成的探索2.1 20世纪50年代初，以塞维罗·奥乔亚（S. Ochoa）为代表的科学家们认为光合作用合成糖类需要的ATP来自于线粒体，尤其是因为在离体叶绿体悬浮液中加入32P标记的无机磷酸后没有观察到含放射性的ATP生成。2.2 科学家阿尔农认为，光合作用细胞的线粒体含量比叶绿体少得多，而光饱和时光合速率比呼吸速率高几十倍，如此少的线粒体如何提供光合作用需要的足量ATP？1954年，美国科学家丹尼尔·阿尔农（D.Arnon）发现，塞维罗·奥乔亚（S. Ochoa）制备的叶绿体悬浮液中的叶绿体并不完整，而只是叶绿体内部的基粒。他改进了实验方法，制备了完整叶绿体的离体悬浮液，发现叶绿体可以利用光能合成ATP同时进行进行二氧化碳的固定。在后续的实验中，阿尔农发现，若水的光解被抑制，叶绿体将不能产生ATP。任务2.1 光合作用ATP合成场所？在光合作用的探究历程中，从奥乔亚到阿尔农，光合作用合成糖类所需ATP的合成场所经历了实验推理主张质疑实验推理修正主张的历程，阅读2.1和2.2的内容，完成下列示意图，阐述科学家证明叶绿体也能产生ATP的过程。任务2.2 ATP如何合成？请同学们选择合适的形状，在如图所示的叶绿体结构上利用箭头绘制水的光解和ATP合成过程的示意图。【学习任务三】资料3：光合作用中CO2如何合成糖类？3.1 1951-1960年，阿尔农通过一系列实验发现，在黑暗条件下，向叶绿体提取液（将叶绿体在水溶液中胀破，离心后取上清液）中加入NADPH，同时加入ATP后，NADPH将会被氧化成NADP+，叶绿体提取液中的3-磷酸甘油酸（三碳化合物，C3）被还原生成糖类。3.2 1945年Calvin等人利用小球藻作实验材料，用10年的时间探索了CO2固定为糖的途径。实验使用放射性同位素14C作为追踪CO2的示踪物，将14C标记的CO2通入照光的小球藻悬浮液，经过预先设定的时间之后，将悬浮液滴入乙醇中，把藻杀死以停止酶促反应。藻中的放射性化合物用纸层析进行分离，并用放射自显影显示后进行鉴定。结果发现照光30s后的放射层析谱非常复杂，无法检出CO2固定的最早中间产物。然而只照光5s的，层析谱则简单得多，发现只有一个显著的斑点，已经证明它是3-磷酸甘油酸（C3）。3.3 C3是如何形成的？和CO2反应的第一个物质是什么？Calvin在光照60s的放射层析谱中找到一种五碳化合物C5（1，5-二磷酸核酮糖），他发现在光照和CO2充足的条件下，C3、C5和(CH2O)有如下图所示的关系。图1如果突然降低CO2浓度，C3和C5之间有如下图所示的关系。图2任务3.1 光合作用中ATP和NADPH如何被利用？资料3.1的阿尔农实验中， 被还原合成糖类在 条件下进行，而ATP合成和水的光解必须在 条件下进行，这提示我们光合作用可根据条件的不同分为 和 阶段。阿尔农实验使用的叶绿体提取液在叶绿体中对应的场所应该是 。任务3.2 光合作用中CO2如何合成糖类？阅读资料3.2和3.3中的卡尔文实验，回答下列问题。 卡尔文用什么方法追踪C在光合作用中的去向？ 卡尔文实验中为什么要在不同时间杀死小球藻？ 请用文字描述图1所示的实验结果。 请用文字描述图2所示的实验结果。 尝试用箭头和形状建构C3、C5、CO2和（CH2O）之间的转化关系。推荐的学习资源无学科网（北京）股份有限公司