生物人教版（2019）必修1 5.4光合作用与能量转化（共54张ppt）

(共54张PPT)
第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化
第1课时　捕获光能的色素和结构
问题探讨
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。
1、靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
2、为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
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。
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。
白化苗由于不能形成叶绿素，无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。
这说明光合作用需要色素去捕获光能。
白化苗不能进行光合作用，无法制造有机养料
正常幼苗能进行光合作用制造有机养料
玉米（白化苗）
玉米（正常苗）
缺少叶绿素
韭黄
韭菜
在植物绿叶中究竟有哪些种类的色素呢？是不是只有叶绿素呢？
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中的色素不只有一种，它们都能溶解在层析液中，不同的色素在层析液中的溶解度不同，溶解度越高的色素随层析液在滤纸上的扩散速度就越快，反之则慢。
1、原理：
（1）提取色素的原理
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
（2）分离色素的原理
（1）无水乙醇
可用体积分数为95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替
（2）层析液
成分：20份__________________________、2份_____和1份___混合而成；
在60-90℃下分馏出来的石油醚
丙酮
苯
（3）二氧化硅
*有助于研磨得充分
（4）碳酸钙
*防止研磨中色素（主要保护叶绿素）被破坏
作用：溶解色素、提取色素；
2、
试
剂
作用：分离色素
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
5g新鲜绿叶，剪去主叶脉，→剪碎置研钵中
3、方法步骤：
加入少许二氧化硅和碳酸钙，再放入10ml无水乙醇
色素多
研磨更充分
防止色素被破坏
提取色素
（1）提取绿叶中的色素
①研磨
★要求：要迅速、充分
防止溶剂挥发，充分溶解色素
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
②过滤：
获取色素滤液
★注意用棉塞将试管口塞严
防止溶剂挥发和色素分子被氧化
单层尼龙布：
滤纸、纱布会吸收色素
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
（2）制备滤纸条
1cm
铅笔线
要剪去两角
减少边缘效应，使滤液同时到达滤液细线。
将干燥的定性滤纸剪成宽度略小于试管直径、长度略小于试管长度的滤纸条，再将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1cm处用铅笔画一条细的横线。
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
（3）画滤液细线
★要求：细、直、齐
注意：待滤液干后，再画1~2次。
为防止色素带重叠而影响分离效果
用毛细吸管，吸取少量滤液，沿着铅笔线均匀地画
（积累更多的色素）
使色素带更清晰
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画一条细线（也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横线处按压出均匀的细线）。
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
（4）分离色素
层析液
培养皿
（防止层析液挥发，因其易挥发且有毒）
防止色素溶解于层析液中而无法分离
注意：不能让滤液细线触及层析液
为何要盖上培养皿？
将适量的滤纸液倒入试管中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
（5）观察与记录
（黄绿色）
（橙黄色）
（黄 色）
（蓝绿色）
*色素的宽窄可以表示色素的含量！！
叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素
溶解度从高到低依次为
胡黄ab
从上往下依次是：
胡黄ab
相邻最近
ab
相邻最远
胡黄
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
探究·实验 绿叶中色素的提取和分离
异常现象的分析
若色素提取液呈淡绿色的，其原因有
①选取的叶片颜色不是浓绿色或称取的绿叶过少或放置数天的菠菜叶，色素含量少
②加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小
③未加碳酸钙或加入的过少，色素分子部分破坏
④研磨不充分，色素未能充分提取出来
若色素带颜色较浅，其原因有
⑤划滤液细线的次数太少，滤纸条上的色素含量少
⑥层析时，部分滤液细线已触及层析液
同上4点
提取液
色素带
叶绿素溶液
叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
类胡萝卜素溶液
观察色素的吸收光谱图示，思考讨论色素的作用
实验表明：叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光， 色素对绿光吸收最少。
吸收光的范围：可见光的波长是400～760 nm，一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光
可见色素的功能：
吸收光能、传递光能 （所有色素）、转化光能（少数叶绿素a）
捕获光能的色素
类胡萝卜素
叶绿素
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
(占1/4)
(占3/4)
（橙黄色）
（黄色）
（蓝绿色）
（黄绿色）
叶绿体中的色素：
最窄
最宽
最远
最近
主要吸收蓝紫光和红光
主要吸收蓝紫光
大棚种植蔬菜时玻璃为什么选择无色透明的？
为了让各种波长的太阳光都穿过塑料薄膜，即让植物吸收更多的光能；
大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光。
【与生活的联系】
为什么植物的叶片呈现绿色？
光照到物体表面后，该物体又将这种颜色的光反射出来，就是我们所见到的颜色。对植物而言，除了部分橙光、黄光和大部分绿光被反射外，其他的基本上都被叶绿素分子吸收了，所以含叶绿素多的叶片呈现绿色。
练1.在“绿叶中色素的提取和分离”实验中得到的色素带颜色较浅，分析其原因可能是（ ）
①加入的无水乙醇太多
②用丙酮代替无水乙醇
③层析液没及滤液细线
④研磨时没有加入CaCO3
⑤研磨时没有加入SiO2
⑥取的叶片的叶脉过多，叶肉细胞过少
⑦画滤液细线的次数少
⑧使用放置数天的波菜叶
A．①③⑦ B．②④⑤⑧
C．①③④⑤⑥⑦⑧ D．②③④⑤⑥
C
色素浓度低
色素溶解到层析液中
色素被破坏
色素未完全释放出来
色素含量低
色素含量低
色素含量低
基粒
（由类囊体堆叠形成，增大膜面积）
外膜
内膜
基质
色素
与光反应有关的酶
与暗反应有关的酶
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
众多的基粒和类囊体极大地扩展了受光的面积。
1.形态：
2.结构：
椭球形、球形
由外膜、内膜、基粒、基质构成。
3.功能：
进行光合作用的场所。
资料分析：叶绿体的功能
装片中好氧细菌向叶绿体被光束照射到的部位集中。
装片中好氧细菌分布在叶绿体所有受光部位的周围。
氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所。
结论：
叶绿体中被光束照射到的部位是光合作用的场所
结论：
现象：
现象：
没有空气黑暗
极 细 光 束
完 全 光 照
1881年，恩格尔曼实验
水绵和好氧细菌的装片
讨论：恩格尔曼实验在设计上有什么巧妙之处？
(1)实验材料选择巧妙：实验材料选择水绵，水绵不但具有细而长的带状叶绿体，而且叶绿体在细胞中呈螺旋式分布，便于观察实验结果和设置对照。
(2)排除干扰的方法巧妙：没有空气的黑暗环境排除了环境中氧气和光的干扰。
(3)观测指标设计巧妙：通过好氧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)实验对照设计巧妙：用极细的光束点状投射，使叶绿体上可分为获得光照和无光照的部位，相当于一组对照实验；进行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的对照实验。明确实验结果完全是由光照引起的。
恩格尔曼在证明光合作用放氧部位是叶绿体后，紧接着又做了一个实验：他用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，惊奇地发现大量的好氧细菌聚集在红光和蓝紫光区城。为什么
因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。
综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？
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。
光合作用的场所只能是叶绿体吗？
蓝藻、光合细菌等没有叶绿体也能进行光合作用。
第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化
第2课时　光合作用的原理
一、光合作用的原理
光合作用：绿色植物通过 ，利用 ，把 转化成储存着能量的 ，并且释放 的过程。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
有机物
氧气
（一）光合作用的概念
光合作用的实质：
合成有机物，储存能量
（二）光合作用的反应式：
CO2+H2O (CH2O)+O2
光能
叶绿体
6CO2 + 12H2O
光能
叶绿体
C6H12O6+ 6H2O + 6O2
注：（CH2O）表示糖类，光合作用产物一部分是淀粉，一部分是蔗糖。
（三）探索光合作用原理的部分实验
1、19世纪末：
CO2
O2
+ H2O
（CH2O）
甲醛
缩合
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为糖。
2、1937年 希尔：
H2O
离体叶绿体
光能
O2
离体叶绿体在适当条件下发生水光解产生氧气的化学反应称为希尔反应

铁盐或其他氧化剂
一、光合作用的原理
3、1941年，鲁宾和卡门：
同位素示踪法
结论：光合作用释放的氧气全部来自水。
光照射下的
小球藻悬液
CO2
H2O
C18O2
H218O
18O2
O2
甲组
乙组
4、1954-1957年，阿尔农：
在光照下，叶绿体可合成ATP，且此过程总是与水的光解相伴随。
光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。
一、光合作用的原理
学生活动：阅读P102部分实验介绍，完成P103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的氧元素全部都来自水？
不能说明，希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验并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。
2.希尔的实验是否说明水的光解和糖的合成不是同一个化学反应？
能够说明，希尔反应是将离体的叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有水，没有合成糖的另一种必需原料——CO2,因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。
一、光合作用的原理
3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
结论：
光合作用产生的O2来自于H2O。
4.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系
一、光合作用的原理
划分依据:反应过程是否需要光能
光反应
暗反应（碳反应）
（四）光合作用过程
两个阶段
一、光合作用的原理
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
光反应过程
H+
NADPH
酶
1、光反应阶段
条件：
光、色素、酶、
水、ADP、Pi、NADP+
场所：
类囊体薄膜上
物质转化
水的光解：
ATP的合成：
H2O 1/2O2+2H++2e-
光
色素
ADP+Pi+能量 ATP
酶
NADPH的合成：
NADP++H++e- NADPH
酶
能量转变：
光能
ATP、NADPH中活跃的化学能
主要产物：
O2、ATP、NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
（3）30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
弄清了CO2转化成有机物过程：
CO2
C3
(CH2O)
C5
卡尔文循环
1946年开始，美国的卡尔文等用14CO2研究了CO2转化为糖的途径：向反应体系中充入一定量的14CO2,给予光照
（1）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。
（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).
称为卡尔文循环
一、光合作用的原理
ATP、NADPH
2C3 (CH2O)+C5
酶
CO2＋C5 2C3
酶
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
暗反应过程
NADPH
酶
能量
2、暗反应（碳反应）阶段
（卡尔文循环）
条件：
有没有光都可以，需多种酶、CO2、ATP、NADPH
物质转化
CO2的固定：
C3的还原：
能量转变：
ATP、NADPH中活跃的化学能
糖类中稳定的化学能
产物：
（CH2O）、ADP 、Pi、NADP+
说明： C3是三碳化合物，即3-磷酸甘油酸；
C5是五碳化合物，即核酮糖-1,5-二磷酸；
场所：
叶绿体基质中
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
光反应
暗反应
光合作用的过程
H+
NADPH
酶
酶
能量
场所：类囊体薄膜
场所：叶绿体基质
NADPH和ATP的移动途径是？
从类囊体薄膜到叶绿体基质
NADP+和ADP、Pi的呢？
从叶绿体基质到类囊体薄膜
NADPH的作用？
①活泼的还原剂；②储存部分能量供暗反应阶段利用
光反应阶段 暗反应阶段
场所
条件
物质变化
能量变化
联系
过程
项目
叶绿体类囊体薄膜上
叶绿体基质
光、色素、酶
多种酶
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能
ATP、NADPH中活跃的化学能→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ADP、Pi、NADP+等原料
3、光反应和暗反应比较
练3.对某植株做如下处理：（甲）持续光照10分钟；（乙）光照5秒，再暗处理5秒，连续交替20分钟。若其他条件不变，则在甲、乙两种情况下，植株所制造的有机物总量是：（ ）
A、甲>乙 B、甲<乙 C、甲=乙 D、无法确定
B
解析：光照后，光反应产生的ATP和还原氢还能维持暗反应进行几秒钟，所以甲只进行了10分钟的暗反应，而乙相当于进行了20分钟，制造的有机物比甲多。
练2.光合作用过程中，叶绿体中消耗ATP和产生ATP的部位依次为 ( )
①外膜 ②内膜 ③基质 ④类囊体膜
A.③② B.③④ C.①② D.④③
B
元素来龙去脉
（五）光合作用过程中各元素的转移
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O)+ O2
糖类
碳原子的转移途径：
14CO2
14C3
（14CH2O）
氧原子的转移途径：
C18O2
C3
（CH218O）
H218O
18O2
H218O
能量的转移途径：
光能
ATP和NADPH中活跃的化学能
(CH2O)中稳定的化学能
H的转移：
H2O → NADPH → (CH2O )
H2O
条件骤变时物质含量的变化
CO2浓度不变 光反应 NADPH ATP C3 C5 （CH2O）
光照减弱
光照增强
H2O
CO2
NADPH
O2
酶
多种酶
ADP+ Pi
ATP
C5
2C3
（CH2O）
水的光解
形成ATP
CO2的固定
C3的还原
积累、增加
消耗、减少
（六）光照和CO2浓度变化对光合作用物质含量变化的影响
光照不变 暗反应 C3 C5 [H] ATP (CH2O)
CO2浓度减少
CO2浓度增加
H2O
CO2
NADPH
O2
酶
多种酶
ADP+ Pi
ATP
C5
2C3
（CH2O）
水的光解
形成ATP
CO2的固定
C3的还原
积累、增加
消耗、减少
（六）光照和CO2浓度变化对光合作用物质含量变化的影响
条件骤变时物质含量的变化
停止光照，CO2供应不变
NADPH、ATP、O2产生减少
C3含量上升
C5含量下降
(CH2O)合成量减少
暗反应
：CO2 + C5 2C3
酶
仍正常进行
2C3 +NADPH (CH2O)+C5
停止
酶
ATP
光反应停止
H2O →2 NADPH+ 1/2O2
+
Pi
+
光能
ATP
酶
ADP
暗反应停止
没有光反应就没有暗反应
光照不变，停止CO2供应
C3含量下降
C5含量上升
NADPH、ATP增加
O2产量减少
没有暗反应光反应也不能进行
暗反应
：CO2 + C5 2C3
酶
停止
2C3 +NADPH (CH2O)+C5
正常进行
酶
ATP
光反应逐渐停止
H2O →2 NADPH + 1/2O2
+
Pi
+
光能
ATP
酶
ADP
（因产物积累过多）
（七）光合作用和细胞呼吸的关系
NADPH
二、光合作用原理的应用
1.概念
通常用光合速率表示，指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的量。
2.表示方法
①单位时间内制造有机物的量；
②单位时间内光合作用利用或固定CO2的量；
③单位时间内光合作用产生O2的量。
光合作用强度：光合速率
细胞呼吸强度：呼吸速率
（一）光合作用强度
CO2+H2O （CH2O）+O2
光能
叶绿体
(色素、酶）
①Mg、N、Fe等矿质元素；
②酶的活性受温度等影响。
光照强度、光质、光照时间；
气体反应物
①作为反应物；
②水分→气孔关闭→CO2供应
（二）影响光合作用强度的主要环境因素
根据反应式说一说有哪些因素会影响光合作用强度
二、光合作用原理的应用
温度
光
水
N、Mg2+、Fe等矿质元素
CO2浓度
矿质元素
光、温度、CO2浓度、矿质元素、水等
二、光合作用原理的应用
（三）影响光合作用的因素
光：光照强度、光质、光照时间
CO2的浓度、H2O
矿质元素
温度
外因
内因
酶的活性、数量
色素的含量
叶绿体的数量
二、光合作用原理的应用
1、光照强度
A点：只进行细胞呼吸，CO2释放量表示呼吸速率。
B点：光合作用强度=细胞呼吸强度，即光补偿点。
C点：光合作用强度最大。增加光照强度光合作用强度不再增加。即光饱和点。
AB段：光合<呼吸
BC段：光合>呼吸
限制C点之后的内部因素有色素含量、酶的数量及酶的活性；外部因素有CO2 、温度、水、矿质元素等
光补偿点
光饱和点
D
总光合速率
净光合速率
应用：
1.间作套种（可合理利用光能，提高光能利用率）
2.延长光合作用的时间
3.合理密植，增加光合作用面积
二、光合作用原理的应用
2、CO2浓度
A
B
C
0
吸收CO2
释放CO2
CO2浓度
两组都表示在一定范围内，光合作用强度随CO2浓度的增加而增加，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用强度不再增加。
A点：既不吸收CO2也不释放CO2，表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点；
A’点：进行光合作用的最低CO2浓度，即光合作用起点（C点）
B点和B’点：CO2饱和点
应用：
1.温室栽培植物时，适当施有机肥或增加CO2浓度；
2.多通风透气。
3、温度
温度通过影响酶的活性来影响光合作用的强度
B点时，植物光合作用最大
温度过低时，酶活性降低，光合速率会减弱；
温度过高时，植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱。
应用：
1.适时播种；
2.温室栽培时白天适当提高温度，夜间适当降低温度。
二、光合作用原理的应用
化能合成作用
例如： 硝化细菌、硫细菌、铁细菌等。
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
2HNO2+O2 2HNO3+能量
CO2 + H2O （CH2O）+ O2
硝化细菌：
在自然界中，有少数种类的细菌，能够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。
电子显微镜下的一种的硝化细菌（放大5000倍）
2、提取光合色素，进行纸层析分离，对该实验中各种现象的解释，正确的是( )
A.未见色素带，说明材料可能为黄化叶片
B.色素始终在滤纸上，是因为色素不溶于层析液
C.提取液呈绿色是由于含有叶绿素a和叶绿素b
D.胡萝卜素处于滤纸最前方，是因为其在提取液中的溶解度最高
作业
1、在圆形滤纸的中央滴上叶绿体的色素滤液进行色素分离，要看到近似同心环状的四个色素圈，排列在最外圈的一个呈( )A.蓝绿色 B.黄绿色 C.黄色 D.橙黄色
D
C
3、在进行色素的提取与分离实验时，不能让层析液没及滤液细线的原因是( )A.滤纸条上几种色素会扩散不均匀而影响结果B.滤纸条上滤液细线会变粗而使色素太分散C.色素会溶解在层析液中而使结果不明显D.滤纸条上的几种色素会混合起来
C
4、在色素的提取与分离实验中，研磨绿叶时要加入无水乙醇，其目的是( )A.防止叶绿素被破坏 B.使叶片充分研磨C.使各种色素充分溶解在无水乙醇中 D.使叶绿素溶解在无水乙醇中
C
1、光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段，下列叙述正确的是（ ）A.光反应不需要酶，暗反应需要多种酶
B.光反应消耗水，暗反应消耗ATPC.光反应储存能量，暗反应消耗能量
D.光反应固定二氧化碳，暗反应还原二氧化碳
2、人在剧烈运动后，血液pH会明显下降，其原因是（ ）A.血浆中乳酸过少 B.血浆中C02过多
C.血浆中乳酸过多 D.血浆中丙酮酸过多
B
C
4、在叶肉细胞中，利用氧和释放氧的细胞器依次为（ ）
A.线粒体和核糖体
B.核糖体和高尔基体
C.高尔基体和叶绿体
D.线粒体和叶绿体
作业
3、在下列有关光合作用和呼吸作用的说法中，正确的是（ ）A.呼吸作用是光合作用的逆反应
B.两者除能量转变有别外，其它都是可逆的C.光合作用与呼吸作用是单独进行的，二者不可能同时进行D.对不同生物而言，光合作用与呼吸作用的进行可以互相提供原料
D
D