生物人教版（2019）必修1 5.4光合作用与能量转化（共68张ppt）

(共68张PPT)
光合作用与能量转化
第四节
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
问题探讨
问题探讨
二氧化碳浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态
用人工光源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，以使蔬菜产量达到最大
2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径
因此，有人称光合作用是地球上最重要的化学反应
在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量
在自然界，则是万物生长靠太阳
太阳光能的输入、捕获和转化是生物圈得以维持运转的基础
几乎所有生命系统中能量的最终源头：太阳能
光能转化为细胞能够利用的 的过程称为光合作用
化学能
玉米（白化苗）
玉米（正常苗）
正常幼苗能进行光合作用制造有机养料
不含绿色色素，无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡
叶片中的色素可能和光能的捕获有关
捕获光能的色素
对高等植物来说，叶片是进行光合作用的主要器官，这些植物的叶片多数是绿色的，说明含有绿色的色素
捕获光能的色素
绿叶中会有哪些种类的色素呢？
它们分别是什么颜色的？
各种色素在绿叶的含量相同吗？
想一想，该怎么办？
实验原理
1.提取：
绿叶中的色素都能溶解于有机溶剂无水乙醇中
2.分离：
分离方法：纸层析法
绿叶中的色素不只有一种，它们都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同
溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢
绿叶中色素的提取和分离
材料用具
新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）
无水乙醇
层析液
二氧化硅
碳酸钙
选材时应注意选择易获取、新鲜、光合色素含量过高的叶片如菠菜叶、油菜叶等
绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
1.提取绿叶中的色素
①称取5g的绿叶，剪去主叶脉，剪碎，放入研钵中
②放入少许二氧化硅和碳酸钙，再放入5-10mL无水乙醇
绿叶中色素的提取和分离
碳酸钙可防止研磨中色素（叶绿素）被破坏
二氧化硅有助于研磨得充分
防止无水乙醇挥发
③迅速、充分地研磨
叶绿体能够被充分破坏，使得色素能充分被释放出来，充分溶解色素
实验步骤
1.提取绿叶中的色素
绿叶中色素的提取和分离
④将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中（漏斗基部放一块单层尼龙布）进行过滤
⑤收集滤液到试管中,及时用棉塞将试管口赛严
防止无水乙醇的挥发
过滤叶脉及二氧化硅等并且不吸附色素
实验步骤
1.提取绿叶中的色素
绿叶中色素的提取和分离
剪两角
干燥的
铅笔线
其透性好，吸收滤液较多，使层析液在滤纸条上扩散得快
避免边缘效应，剪去两角的目的是使层析液扩散均匀，同时到达滤液细线
实验步骤
2.制备滤纸条
绿叶中色素的提取和分离
3.画滤液细线
要求：细、直、齐 重复1-2次
积累更多的色素，使分离后的色素带更明显
实验步骤
绿叶中色素的提取和分离
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀画出一条细线(或用盖玻片）
待滤液干后，再重复画1-2次
使分离出的色素带平整不重叠
层析液不能触及滤液线
层析液
培养皿
防止色素溶解在层析液中，无法分离
层析液为有毒性的挥发性物质
4.分离滤液中的色素
实验步骤
绿叶中色素的提取和分离
滤纸条上有几条不同颜色的色带？
其排序怎样？宽窄如何？
这说明了什么？
排序越上面，说明该色素在层析液的溶解度越 ，扩散速率越
色素带越宽，说明该色素含量越
高
快
多
绿叶中色素的提取和分离
叶绿素
类胡萝卜素
（含量约3/4）
（含量约1/4）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
绿叶中的色素
色素分布：叶绿体的类囊体薄膜上
色素功能：吸收、传递和转化光能
绿叶中色素的提取和分离
结果分析
色素种类 颜色 含量 溶解度 扩散速度
胡萝卜素 橙黄色 最少 最高 最快
叶黄素 黄色 较少 较高 较快
叶绿素a 蓝绿色 最多 较低 较慢
叶绿素b 黄绿色 较多 最低 最慢
绿叶中色素的提取和分离
1.溶解度的由高到低：
2.含量由高到低：
胡萝卜素﹥叶黄素﹥叶绿素a﹥叶绿素b
叶绿素a ﹥叶绿素b ﹥叶黄素﹥胡萝卜素
阳光是由不同波长的光组成组合成的复合光，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
光谱
三棱镜
分别让不同颜色的光照射色素溶液就可以得到色素溶液的吸收光谱
色素的吸收光谱
色素的吸收光谱
绿叶中的
色素提取液
图：自然光通过三棱镜
图：自然光经过色素提取液后通过三棱镜
现象：光屏出现明显的色光带
现象：色光带变暗，
且蓝紫光和红光大部分被吸收
绿叶中的色素能吸收光能，且主要吸收蓝紫光和红光
叶绿素主要吸收蓝紫光和红光
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
吸收光能的百分比
0
波长
50
100
叶绿素a
叶绿素b
图：叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱
类胡萝卜素
这4种色素吸收的光波长有差别，但是都可以用于光合作用
光是一种电磁波，可见光的波长为400-760nm，小于400为紫外光，大于760为红外光，一般情况下，光合作用利用的光都是可见光
1.正常银杏的叶为什么呈绿色？
3.大棚种植蔬菜时，选择什么颜色的塑料薄膜最好？
白色或无色
2.秋季为什么变黄了？
秋季，叶片的叶绿素分子在低温下被破坏，而类胡萝卜素较稳定，所以显出类胡萝卜素的颜色。
相关知识
叶绿体中叶绿素的含量多，且对绿光吸收量最少，绿光被反射出来，所以呈绿色
外膜
内膜
基粒
基质
每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成。这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的四种色素就分布在类囊体的薄膜上
色素分布：
类囊体薄膜上
酶分布：
类囊体薄膜和基质
而每个基粒都含有两个以上的类囊体，多者可达100个以上。叶绿体内有如此多的基粒和类囊体，极大地扩大了受光面积
捕获光能的结构
叶绿体的结构适于光合作用
1.恩格尔曼的第一个实验
把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，然后用极细的光束照射水绵。
极细的光束
叶绿体的功能
1.吸收光能
好氧细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中
①
1.恩格尔曼的第一个实验
叶绿体的功能
②
如果临时装片暴露在光下，好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位
讨论：
1.此实验的结论是什么？
氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所
1.恩格尔曼的第二个实验
叶绿体的功能
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧型细菌聚集在红光和蓝紫光区域
讨论：
2.在第2个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？
光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长的光照射下，叶绿体会释放氧气适于需氧型细菌在此区域的分布
1.实验材料的选择妙：水绵，不仅具有细而长的带状叶绿体，而且呈螺旋带状分布在细胞中，便于观察
2.排出干扰的方法妙：没有空气的黑暗环境排出了环境中氧气和光的干扰
3.观测指标的设计妙：通过需养细菌的分布进行检测，从而能够准确地判断出释放氧气的部位
4.实验对照的设计妙：用极细的光束点投射，叶绿体上分为获得光照部位和无光照部位，相当于一组对照实验，进行黑暗条件下局部光照和完全暴露在光下的对照实验，明确实验结果是由光照引起的
讨论：
3.恩格尔曼在选材实验设计上有什么巧妙之处？
叶绿体的功能
叶绿体的功能
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
讨论：
4.综合上述材料，你认为叶绿体的功能？
叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光
光合作用：
是指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，并且释放出氧气的过程
光合作用的概念
原料：二氧化碳 水
产物：糖类 氧气
场所：叶绿体
条件：光 , 多种酶
（1）光合作用的原料、产物、场所、条件是什么？
（2）你能用一个化学反应式表示出来吗
光能
叶绿体
CO2 + H2 O （CH2O)+ O2
1. 19世纪末 氧气
甲醛→糖
2. 1928年 甲醛不能通过光合作用转化成糖
甲醛对植物有毒
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
探究光合作用原理的部分实验
（有H2O，无CO2）
3. 1937年 希尔
高铁盐
低铁盐
希尔反应：
结论：离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解产生氧气
探究光合作用原理的部分实验
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
讨论1：
希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中氧元素全部都来自水吗？
探究光合作用原理的部分实验
不能说明，该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移
讨论2：
希尔的实验说明是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？
能够说明，希尔反应是在离题叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有水，没有合成糖类的必须原料--二氧化碳 ，暗示希尔反应是相对独立的反应阶段
4. 1941年 鲁宾和卡门（同位素示踪法）
结论：光合作用产生的O2来自于H2O
H2O
H218O CO2
O2 O2
O2
O2 O2
O2
O2
O2
O2 O2
O2
O2 O2 O2
O2
18O2 18O2
18O2
18O2 18O2
18O2
18O2 18O2
18O2
探究光合作用原理的部分实验
C18O2
5. 1954年 阿尔农
结论：在叶绿体中，有光存在的情况下，叶绿体内同时进行两个反应“水的光解”“ATP的合成”
探究光合作用原理的部分实验
用离体的叶绿体做实验：
在给叶绿体照光时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi等物质时，体系中就会有ATP出现
之后，他发现这一过程总是与水的光解相伴随
探究光合作用原理的部分实验总结
年代 科学家 结论
十九世纪末 / 甲醛→糖 甲醛对植物有毒
1928年 / 甲醛不能通过光合作用转化成糖
1937年 希尔 水的光解产生氧气
1941年 鲁宾和卡门 利用同位素示踪法确定，光合作用氧气来自于水
1954年 阿尔农 光照下叶绿体合成ATP
1957年 阿尔农 这一过程总是与水的光解相伴
探究光合作用原理的部分实验
光合作用的过程
光反应在白天可以进行吗？夜间呢？
暗反应在白天可以进行吗？夜间呢？
有光才能反应
有光、无光都能反应
光反应（光合作用第一阶段）
暗反应（光合作用第二阶段）又称 碳反应
划分依据: 反应过程是否需要光能
H2O
类囊体薄膜
酶
Pi ＋ADP
ATP
H+
NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素
O2
光反应
光反应
光、色素、酶
叶绿体内的类囊体薄膜上
1.水的光解：
H2O O2 +H+
光
3.ATP的合成：
ADP＋Pi＋能量（光能) ATP
光能→ATP与NADPH中的化学能
场所：
条件：
能量变化：
2.NADPH的合成：
酶
酶
H++NADP+2e- NADPH+H+
NADPH还原性辅酶Ⅱ，还原剂，参与暗反应，同时也储存部分能量供暗反应利用
物质变化
ATP只用于暗反应
1.CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
2.C3的还原：
ATP
ADP+Pi
叶绿体的基质中
ATP与NADPH中的化学能→有机物中稳定的化学能
2C3 (CH2O)+C5
酶
有光无光都可，NADPH 、ATP、酶
场所：
条件：
物质变化
能量变化：
NADP+
NADPH
卡尔文循环
暗反应/碳反应
1946年开始，美国的卡尔文等用14CO2研究了植物在进行光合作用时CO2转化为糖的路线
（1）向反应体系中充入一定量的14CO2,光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物
（2）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)
（3）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中
CO2转化成有机物过程中，C的转移途径：
CO2
C3
(CH2O)
C5
卡尔文循环
暗反应/碳反应
色素分子
可见光
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
2H2O
O2
4[H]
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
能
固定
还原
酶
光反应（类囊体薄膜）
暗反应（叶绿体基质）
光合作用的过程
光合作用
光反应和暗反应的区别与联系
光反应 暗反应
区别 所需条件
进行场所
物质变化
能量转化
联系 物质变化上的联系
能量转化上的联系
必须有光
有光或无光均可
类囊体薄膜
叶绿体基质
水光解为O2和H+
ATP和NADPH的合成
CO2的固定
C3的还原
ATP和NADPH的分解
光能转化为ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中稳定的化学能
光能→ATP和NADPH中的化学能→有机物中稳定的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH;
暗反应为光反应提供了ADP、Pi、NADP+
讨论：
叶绿体处不同条件下，C3、C5、NADPH、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化
条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O)
停止光照 CO2供应不变
光照不变 停止CO2供应
增加
减少
增加
减少
减少
减少
减少
增加
C5、NADPH、ATP变化一致，C3、C5相反
物质含量变化
6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O
光能
叶绿体
光合作用过程中元素的去向
化能合成作用：
利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+6H2O C6H12O6+ 6O2
能量
化能合成作用
光能自养生物（如绿色植物、蓝细菌）
化能自养生物（如硝化细菌、铁细菌、硫细菌 等）
①图中A是______,B是_______,它来自于______的分解。
②图中C是_______，它被传递到叶绿体的______部位，用于_______________。
③图中D是____，在叶绿体中合成D所需的能量来自______
④图中G________,F是__________,J是_____________
⑤图中的H表示_______， I表示________，H为I提供__________
光
H2O
B
A
C
D
E+Pi
F
G
CO2
J
H
I
Ｏ2
水
[H]
基质
用作还原剂，还原C3
ATP
光能
光反应
[H]和ATP
色素
C5化合物
C3化合物
糖类
暗反应
光合作用强度
光能
叶绿体
CO2 + H2O （CH2O) + O2
植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量，又称光合速率
光合作用的强度：
净光合速率、总光合速率
净光合（表观光合）速率：
单位时间内从外界吸收的CO2量、释放的O2量、积累的有机物量
呼吸速率：
单位时间内呼吸产生的CO2量、消耗的O2量、消耗的有机物量
总光合速率：
单位时间内固定的CO2量、产生的O2量、制造的有机物量
真正光合速率=净光合速率+呼吸速率
净光合速率 （又称表观光合速率） O2的释放量、CO2的吸收量、有机物的积累量
真正光合速率 （又称实际光合速率） O2的产生量、CO2的固定量、有机物的制造量
呼吸速率 （黑暗中测量） CO2的释放量、O2的吸收量、有机物的消耗量
影响光合作用强度的因素
光能
叶绿体
CO2 + H2O （CH2O) + O2
植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量，又称光合速率
1.光照强度
3.温度
2.二氧化碳浓度
4.水分
影响光合作用强度的因素：
光合作用的强度：
5.矿质元素
1.光照强度
(1)A点时，光照强度为0，对应的CO2来源于哪些生理过程？其释放量的含义是什么？
A点时，光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，其单位时间内释放的CO2量，可表示此时的细胞呼吸速率
影响光合作用强度的因素
(2)B点时，所对应的CO2吸收量和释放量为0，试分析此时光合速率与细胞呼吸速率的关系及B点的含义
B点时，细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合速率＝呼吸速率，此点为光补偿点
光补偿点
1.光照强度
影响光合作用强度的因素
光补偿点：光合作用制造的有机物刚好补偿掉呼吸作用消耗的有机物
(3)C点时，CO2吸收量达到最高，请讨论C点的含义并分析CO2吸收量达到最高前、后的主要限制因素分别是什么？
CO2吸收量达到最高前的主要限制因素是光照强度，CO2吸收量达到最高后的主要限制因素为温度和CO2浓度
光饱和点
1.光照强度
影响光合作用强度的因素
C
光饱和点：光合作用不再增加的最小光照强度
A点：只进行细胞呼吸，CO2释放量表明此时的呼吸强度
B点：光补偿点，即光合作用强度=细胞呼吸强度
光补偿点
光饱和点
AB段：光合<呼吸
BC段：光合>呼吸
C点：光饱和点，增加光照强度光合作用强度不再增加
1.光照强度
影响光合作用强度的因素
C
在一定范围内，植物光合速率随CO2浓度的增大而____________
但达到一定浓度时，再增加CO2浓度，光合速率也____________
增加
不再增加
2.CO2浓度
影响光合作用强度的因素
A点：CO2补偿点（表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度）
A′点：表示进行光合作用所需CO2的最低浓度
B和B′点：CO2饱和点（两组都表示在一定范围内CO2浓度达到该点后，光合作用强度不再随CO2浓度增加而增加）
2.CO2浓度
影响光合作用强度的因素
温度过高时植物气孔关闭（午休）或酶活性降低，光合速率会减弱
光合作用的最适温度一般为25℃，呼吸作用为30℃
光合作用的最适温度因植物种类而异
3.温度
影响光合作用强度的因素
光合作用强度
O
时间
A
7 10 12 14 18
N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分
P：NADP+和ATP的重要组分；维持叶绿体正常结构和功能
K：促进光合产物向贮藏器官运输
Mg：叶绿素的重要组分
4.矿质元素
影响光合作用强度的因素
光合作用强度
O
时间
A
7 12 14 18
1.水是光合作用的原料
2.水是体内各种化学反应的介质
3.水还影响气孔的开闭（午休现象：与植物叶片蒸腾作用散失水分有关）,间接影响CO2进入植物体
5.水分
影响光合作用强度的因素
多因子（光照强度、CO2浓度）与光合作用强度之间的关系
曲线分析：
Q点之前限制因素为横坐标所表示的因子
Q点后，想提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子的方法
影响光合作用强度的因素
光照强度
0
CO2吸收
CO2释放
A
B
C
阳生植物
呼吸速率
光补偿点
光饱和点
阴生植物
A1
B1
C1
净光合
总光合
（B：光合=呼吸）
（C'：光合速率开始达到最大时外界的光照强度）
（限制因素：CO2浓度、温度等）
C'
（B1：阴生植物呼吸作用较弱，对光的利用能力也不强）
（AB：光<呼）
（BC：光>呼）
呼吸
阴生植物、阳生植物
光照强度
0
CO2吸收
CO2释放
A
B
C
光饱和点、光补偿点的移动
增加CO2浓度，
光饱和点、光补偿点如何变化？
光补偿点左移动
光饱和点右移动
饱和点补偿点移动情况相反
光照强度
0
CO2吸收
CO2释放
A
B
C
光饱和点、光补偿点的移动
D
E
改变条件 BCD面积（净光合有机物积累量） 光补偿点 光饱和点
适当增加 光照强度（CO2浓度)
适当减少 光照强度（CO2浓度)
植物缺少Mg
提高温度
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
典型例题
a: 凌晨3-4点，温度降低，呼吸作用减弱，二氧化碳释放减少
b: 上午6点左右，太阳出来，开始进行光合作用
bc:光合小于呼吸
c:光合等于呼吸
积累有机物
制造有机物
消耗有机物
光照强度
0
CO2吸收
CO2释放
a
b
典型例题
d
已知某植物光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25℃和30℃，如图表示30℃光合作用与光照强度的关系。若温度降到25℃（原光照强度和二氧化碳浓度不变），理论上图中相应点a、b、d点的移动方向分别是？
a：
b：
d：
上移
左移
右上移
内因：
外因：
基因决定酶种类数量不同
水分（应用：合理灌溉）
矿质元素（应用：合理施肥）
温度：影响酶的活性应用：适时播种、昼夜温差大，“午休”
CO2浓度（升高CO2的浓度：通风、混养、使用有机肥、 加干冰……）
光质（光的颜色）
光照
光照时间： （应用：延长光照时间：一年两/三熟）
光合面积（叶面指数）（应用：合理密植、剪枝；适当升高光强度，间作套种（提高光能的利用率）
不同植物光合作用不同
不同部位（叶）光合作用不同
不同叶龄的叶光合作用不同
影响光合作用因素总结
（应用：大棚种植用红光或蓝紫光的灯管；无色透明的薄膜）
延长光合作用时间
增加光合作用面积
提高光能利用率
控制光照强弱
控制光质
控制CO2供应
控制必需矿质元素供应　
提高复种指数
温室中人工光照
合理密植
间作套种
通风透光
在温室中施农家肥
使用CO2发生器
阴生植物
阳生植物
提高光合
速率
适时适量施肥
提高农作物产量措施
1.延长光照时间、增加光照强度、选择适当的光源
2.白天适当增加温度，夜间适当降低温度
3.适当提高CO2的浓度（施用农家肥）
4.合理灌溉，提供适当水分
5.合理施肥，提供必要的矿物质元素
6.农作物间距合理(合理密植）
增加农作物产量的几点做法：
光合作用的意义
①把无机物合成有机物，不仅是自身的营养物质,而且是人和动物的食物来源
②将光能转换成化学能，贮存在有机物中，提供了生命活动的能量来源
③维持了大气成分的基本稳定
自养生物：能够直接把从外界环境摄取的无机物转变成为自身的组成物质，并储存了能量的一类生物
异养生物：不能直接利用无机物制成有机物，只能把从外界摄取的现成的有机物转变成自身的组成物质，并储存了能量的一类生物
生物