生物人教版（2019）必修1 5.4 光合作用与能量转化（共46张ppt）

(共46张PPT)
第4节 光合作用与能量转化
问题探讨
讨论
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。
2.为什么要控制CO2浓度、营养液成分和温度条件？
用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，使蔬菜产量达到最大。
二氧化碳浓度、营养液和温度都是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行调控，以便让植物达到最佳生长状态。
一.捕获光能的色素和结构
①正常的绿色玉米幼苗可以生长
②白化的玉米幼苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去。
根据以上现象，请你猜测一下原因是什么
叶片中的色素与光能的捕获有关
捕获光能的色素
提出问题：绿叶中有哪些色素？
实验探究：绿叶中色素的提取与分离
一、实验原理
1.绿叶中色素的提取原理
叶绿体中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇（丙酮、酒精、汽油、苯、石油醚等）中，所以用无水乙醇可提取叶绿体中色素。
2.绿叶中色素的分离原理
纸层析法
色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的色素分子随层析液在滤纸条上的扩散得快，溶解度低的色素分子随层析液在滤纸条上的扩散得慢，因而可用层析液将不同的色素分离。
二、实验步骤
提取色素
①称取5g绿色叶片并剪碎
②加入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入10ml无水乙醇
③充分研磨，过滤，收集滤液
制备滤纸条
①将滤纸条一端剪去两角
②用铅笔划一条细的横线
划滤液细线
①用毛细吸管吸取滤液沿铅笔线画出一条细线
②待滤液干后，再划一两次
将滤纸条尖端朝下插入盛有层析液的烧杯中（注意层析液不要没及滤液细线）
分离色素
观察
加入二氧化硅使研磨更充分，加入碳酸钙可防止叶绿素被破坏
（橙黄色）
（蓝绿色）
（黄色）
（黄绿色）
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
从上到下记为
：胡黄ab
绿叶中的色素
叶绿素
类胡萝卜素
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
叶黄素（黄色）
胡萝卜素（橙黄色）
（含量约占3/4）
（含量约占1/4）
秋冬季节叶片呈现黄色又怎么回事？
叶片呈现绿色是怎么回事？
色素种类 颜色 含量 溶解度 扩散速度
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
橙黄色
最少
最高
最快
黄 色
较少
较高
较快
蓝绿色
最多
较低
较慢
黄绿色
较多
最低
最慢
白光
提出问题：这4种色素对光的吸收有什么差别？
实验探究：
阳光（白光）在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
760nm
400nm
红外线
可见光
紫外光
对照组
白光
含色素的溶液
实验组
实验结论：
光合色素主要吸收红光和蓝紫光
叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光
在温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？
无色透明的效果最好，绿色的最差
吸收光能的百分比/%
波长/nm
0
50
100
400
450
500
550
650
600
700
类胡萝卜素
叶绿素b
叶绿素a
三、实验关键
1.选材时应注意选择鲜嫩、色浓绿、无浆汁的叶片。如菠菜叶、棉花叶、洋槐叶等。
2.画滤液细线时应以细、齐、直为标准，重复画线时必须等上次画线干燥后再进行，重复2-3次。
3.层析时不要让滤液细线触及层析液。
叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体模式图
基质
基粒
外膜
内膜
类囊体
基粒
叶绿体的功能
资料1 1881年，德国科学家恩格尔曼做了这样一个实验：把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光部位。
恩格尔曼的实验示意图
紧接着，他又做了一个实验：用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
400
450
500
550
600
650
700
波长/nm
资料2 在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。
①四种光合色素分布在类囊体的薄膜上
②与光合作用有关的酶分布在类囊体膜上和叶绿体基质中
③外膜与内膜是透明的利于光的透过
根据结构与功能相适应的特点，推测叶绿体的结构
二.光合作用的原理和应用
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
CO2+H2O (CH2O)+O2
光 能
叶绿体
1 探索光合作用原理的部分实验
①19世纪末
CO2
O2
C
释放
H2O
H-C-H
O
甲醛
缩合
糖类
1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖类
②1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。
H2O 2H++O2
铁盐（或其他氧化剂）
离体叶绿体 光照
a.希尔的实验能否说明水的光解与糖类的合成不是同一化学反应？
能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素
b.希尔反应能否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？
不能，反应体系中还可以存在其他氧元素供体
③1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧的来源
O2
H2O
小球藻悬液
C18O2
第一组
H218O
小球藻悬液
CO2
18O2
第二组
鲁宾和卡门的实验说明植物光合作用产生的氧气中的氧全部来自水
④1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。
1957年，又发现这一过程总是与水的光解相伴随。
上述实验表明光合作用不是一个简单的化学反应，是分阶段进行的。实际上，光合作用包括一系列化学反应。
根据是否需要光照，可以概括地分为光反应和暗反应，暗反应也叫碳反应
2 光合作用的过程
（1）第一阶段
光反应
①场所：
类囊体薄膜
②条件：
光、色素、酶
③物质变化：
2H2O O2+4H+
H+ +NADP+ NADPH
ADP+Pi+光能 ATP
④能量变化：
光能 （ATP和NADPH）中活跃的化学能
太阳能
H2O
光反应
类囊体
NADPH
ATP
ADP+Pi
NADP+
基粒
O2
H+
酶
酶
酶
2 光合作用的过程
（2）第二阶段
暗反应
①场所：
叶绿体基质
②条件：
有光或无光、酶
③物质变化：
CO2 +C5 2C3
2C3+NADPH+ATP NADP++ADP+Pi+C5+(CH2O)
④能量变化：
（ATP和NADPH）中活跃的化学能 糖类等有机物中稳定的化学能
太阳能
H2O
光反应
类囊体
NADPH
ATP
2C3
C5
ADP+Pi
NADP+
CO2
(CH2O)
暗反应
叶绿体基质
基粒
O2
H+
酶
酶
叶绿体基质
2C3
C5
固 定
CO2
NADPH
ATP
(CH2O)
(CH2O)
蔗糖
葡萄糖
淀粉
细胞质基质
还 原
卡尔文循环
3 光反应与暗反应的区别与联系
光反应 暗反应
条 件
场 所
物质变化
能量变化
产 物
原 料
实质
联 系
光、色素、酶 NADPH、ATP、多种酶
类囊体的薄膜上（基粒） 叶绿体基质
1. 水的光解 1. CO2的固定
2. ATP的合成 2. C3的还原
光能→ ATP中活跃 　ATP中活跃的化学能→
的化学能 有机物中稳定的化学能
ATP、NADPH、O2 （CH2O）、ADP、Pi等
H2O CO2
光反应为暗反应提供了NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP、Pi，光反应和暗反应是一个整体。
物质合成，能量储存
在光合作用中元素的转移途径
C:
H:
O:
CO2→C3→(CH2O)
H2O→［H］ → (CH2O)
H2O→O2
CO2→C3→(CH2O)
CO2+H2O (CH2O)+O2
或6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O
光
叶绿体
光
叶绿体
光合作用总反应式：
H2O
H2O
光照和CO2浓度变化对植物细胞内C3、C5、[H]、ATP、O2、(CH2O)含量的影响
短时间 内变化 C3 C5 [H] ATP O2 (CH2O)
光照增强
光照减弱
CO2增多
减少CO2
简记：停止光照C3升，ATP跟着C5一起走
当光反应停止时，暗反应会受到怎样的影响？当暗反应停止时，光反应又会受到怎样的影响？
如：硝化细菌
2NH3+3O2
2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2
硝化细菌
2HNO3+能量
CO2+H2O
（CH2O） +O2
硝化细菌
化能合成作用
概念：某些细菌可以利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放 的能量，将CO2等无机物转变成有机物
影响光合作用强度的因素
（1）光合作用强度表示方法：
植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
植物在单位时间内通过光合作用产生的O2的数量
植物在单位时间内通过光合作用固定CO2的数量。
（2）影响光合作用强度的因素及应用：
1.内部因素
植物种类不同
同一植物在不同的生长发育阶段
同一植物在不同部位的叶片（叶龄）
OA段：
AB段：
BC段：
幼叶，随幼叶的不断生长，叶面积不断增大，叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加，光合速率不断提高
壮叶，叶片面积、叶绿体和叶绿素都处于稳定状态，光合速率也基本稳定。
老叶，随着叶龄的增加，叶片内叶绿素被破坏，光合速率也随之下降。
应用：栽培作物培养时适当摘除老叶和发黄的叶，可降低有机物消耗。
哪些外界因素会影响光合作用强度
２．外部因素
光照、温度、CO2浓度、矿质元素、水等
O2
NADPH
ATP
NADP+
ADP+Pi
(CH2O)
CO2
H2O
光能
水在光下分解
光反应阶段
暗反应阶段
固 定
还 原
多种酶
参加催化
色素和酶
C3
C5
①光照强度
CO2吸收
CO2
释放
0
A
B
C
光照强度
①CO2的吸收量代表光合作用强度吗？
②B点的意义？
③要让植物正常生长，光照应满足什么条件？
④若左图表示的是阳生植物光照强度与光合作用强度的关系，那么若是阴生植物呢？
⑤在曲线AC段影响光合作用强度的影响因子是什么？C点之后呢？
⑥当光照强度超过C点后，还可以通过什么措施提高光合作用强度？
⑦把光照强度B点突然提升至C点，C3，C5，ATP,[H]含量如何变化？
⑧将光照由白光改为蓝光，B点如何移动？
⑨若植物缺镁，B点如何移动？
A’
B’
C’
净光合作用强度
呼吸强度
真正光合作用强度
光合速率
0
CO2浓度
A
②CO2浓度
B
CO2饱和点
C
应用：农作物增产措施
温室栽培，晴天适当增加CO2浓度
合理密植使农田通风良好，“正其行，通其风”
施有机肥（农家肥）
施用干冰
CO2发生器
①A,B,C点含义？
②在AC段光合作用强度的影响因子是什么？C点以后呢？
③当CO2浓度超过C点对应的浓度后，通过什么措施可以提高光合作用强度？
③温度
→酶活性
1）温度
2）温度是影响气孔开闭的因素之一
→光合作用强度
应用：农作物增产措施
a 适时播种:
b 温室栽培：
盛夏的中午，温度高，气孔大多关闭，植物因为缺少CO2而光合作用强度下降。
Ⅰ晴天：白天适当升温，晚上适当降温以保持
较高的昼夜温差
Ⅱ连续阴雨天：白天和晚上均降温
“午休”现象
④H2O
植物缺水时会引起植物叶片气孔关闭，植物因为CO2不足而光合作用强度下降。
⑤ 矿质元素
N：
光合作用有关的酶、ATP、叶绿素、类囊体膜的组成元素
Mg：
叶绿素的重要组成成分
P：
ATP,[H]的组成元素
多因子对光合作用速率的影响
P点：
Q点：
限制光合速率的因素为横坐标所表示的因子，随该因子的不断加强，光合速率不断提高
横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的因子，若要提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子的方法
例：下图甲、乙、丙分别表示几个环境因素对小麦光合作用速率的影响，除各图中所示因素外，其他因素均控制在适中范围。下列分析不正确的是
A.甲图P点限制小麦光合作用速率的因素为光照强度
B.乙图Q点在高CO2浓度下要进一步提高小麦光合作用速率，可适当调节环境温度
C.丙图Q点之后3条曲线的走势是都会随着温度升高而呈逐渐下降趋势
D.干旱初期，小麦光合作用速率下降的主要原因可以用甲图来说明
甲 乙 丙
D
光合作用和细胞呼吸
植物气体代谢特点
只进行呼吸作用
呼吸作用强度＞光合作用强度
呼吸作用强度＝光合作用强度
呼吸作用强度＜光合作用强度
O2
O2
O2
O2
O2
O2
CO2
吸
收
量
O
CO2
释
放
量
光照强度
·
·
·
A
B
C
在黑暗中呼吸所放出的CO2
光补偿点
光饱和点
净光合量
总光合量
阳生植物
阴生植物
A B C D
净光合速率与真正（总）光合速率的关系
CO2吸收量
O
CO2
释
放
量
光照强度
·
·
·
A
B
C
净光合速率
总光合速率
呼吸速率
总光合速率
呼吸速率
=
净光合速率
+
一定时间内O2产生量、CO2固定（同化）量、有机物产生（制造）量
一定时间内O2释放量、CO2吸收量、有机物积累（增加）量
1.这株植物在光下1小时光合作用共产生 克葡萄糖
2.叶片在10℃、5000勒克斯的光照条件下，每小时释放的氧气量是 mg.
3.。。。则1小时积累的葡萄糖是 克。
4.在25℃条件下，这株植物在充分光照下1小时总共制造葡萄糖 克。
总光合速率
净光合速率
净光合速率
总光合速率
（练习）判断下列说法是净光合速率还是总光合速率？
例1：以CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响。下列正确的是
A.光照相同时间，35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等
B.光照相同时间，在20℃条件下植物积累的有机物的量最多
C.温度高于25℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少
D.两曲线的交点表示光合作用制造的与呼吸作用消耗的有机物的量相等
A
例2.将状况相同的某种绿叶均分为四组，在不同温度下分别暗处理1h，再光照1h（光照强度相同），测其重量变化，得出如下表的数据。可以得出的结论是（ ）
组别 一 二 三 四
温度（℃） 27 28 29 30
暗处理后重量变化（mg） -1 -2 -3 -1
光照后与暗处理前重量变化（mg） +3 +3 +3 +1
A.该植物光合作用的最适温度约是27℃
B.该植物细胞呼吸的最适温度约是29℃
C.27~29℃下的净光合速率相等
D.30℃下的真正光合速率为2mg·h-1
B
光合作用曲线中关键点的移动
例3.若已知植物的光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25℃和30℃。如图，在25℃，在一定的光照强度下的某植物光合作用曲线。当相应条件变化时，相关点如何移动？
CO2浓度
CO2吸收量
0
A
B
D
C
m
(1)适当增强光照强度，
A点 ，B点 ，
C点 ，m点 。
(2)温度升高到30℃，
A点 ，B点 ，
C点 ，m点 。
(3)土壤中缺镁时，
A点 ，B点 ，
C点 ，m点 。
不动
左移
右移
上移
下移
右移
左移
下移
不动
右移
左移
下移
夏季晴朗的一天植物光合作用曲线
CO2的吸收
CO2的释放
24时
0
a
b
c
d
e
f
g
a点：凌晨2时~4时，温度降低，呼吸作用减弱，CO2释放减少
b点：有微弱光照，植物开始进行光合作用
bc段：光合作用强度小于呼吸作用强度
c点：光合作用强度等于呼吸作用强度
ce段：光合作用强度大于呼吸作用强度
d点：温度过高，部分气孔关闭，出现“午休”现象
e点：光合作用强度等于呼吸作用强度
ef段：光合作用强度小于呼吸作用强度
fg段：没有光照，光合作用停止，只进行呼吸作用
密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线
A
B
C
D
E
F
G
H
I
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
玻璃罩内CO2浓度
AB段：无光照，植物只进行呼吸作用
BC段：温度降低，呼吸作用减弱
CD段：C点之后，光照微弱，开始进行光合作用，但光合作用强度<呼吸作用强度
D点：光合作用强度=呼吸作用强度
DH段：光合作用强度>呼吸作用强度。其中FG段表示“光合午休”现象
H点：光合作用强度=呼吸作用强度。
HI段：光照继续减弱，光合作用强度<呼吸作用强度，直至光合作用完全停止
I点低于A点：说明一昼夜，密闭容器中CO2浓度减小，植物体内有机物的总量增加，植物生长
光合速率测定
甲装置在黑暗条件下植物只进行细胞呼吸，由于 NaOH 溶液吸收了细胞呼吸产生的 CO2， 所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的 O2 吸收速率，可代表呼吸速率;
而乙装置在光照条件下植 物进行光合作用和细胞呼吸，由于 NaHCO3溶液保证了 容器内 CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右 移的距离表示植物的 O2 释放速率，可代表净光合速率。
真正光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率。为防止 气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正
红色液滴
NaOH溶液
绿色植物
实验组
甲（黑暗）
红色液滴
NaHCO3溶液
对照组
绿色植物
乙（光照）