(共83张PPT)
第4节
光合作用和能量转化
一、 捕获光能的色素和结构
玉米
茶叶
探究.实践——
绿叶中色素的提取和分离
1.实验目的
(1)进行绿叶中色素的提取和分离;
(2)探究绿叶中含有几种色素;
2.实验原理**
提取原理:
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中
分离原理:
色素都能溶解在层析液中;
不同色素在层析液中的溶解度不同;
溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快,反之则慢;
分离色素的方法是“纸层析法”。
3.材料用具
(1)新鲜的绿叶
(2)提取试剂——________;
(3)分离试剂——________;
*新鲜绿叶中叶绿素含量较高
无水乙醇
层析液
*20份在60-90℃下分馏出来的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成;
(4)二氧化硅
*有助于研磨得充分;
(5)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;
4.实验步骤
(1)色素的提取*
①称取5g绿叶,剪去主叶脉,剪碎,放入研钵
②向研钵中放入少许二氧化硅和碳酸钙,再加入5-10mL无水乙醇
③迅速、充分地进行研磨;
迅速研磨可以减少无水乙醇的挥发,充分研磨是为了使叶绿体充分破坏,使色素充分释放
④过滤
⑤将滤液收集到试管中,及时用棉塞将试管口塞严;
防止无水乙醇的挥发和叶绿素的氧化
取材-----研磨-------过滤----收集
(2)制备滤纸条
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;
铅笔线
剪去两角的原因?
减少边缘效应,使色素在滤纸条上扩散均匀;
干燥的原因?
使层析液能够在滤纸上快速扩散;
(3)画滤液细线
用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,待滤液干后,再重画一到两次;
画滤液细线的要求?
细、直、匀;
画完1次,待干后,
重复1-2次(即画2-3次);
使分离出的色素带平整不重叠;
增加滤液细线中的色素含量,使分离出的色素带清晰、分明;
(4)分离绿叶中的色素*
将适量的层析液倒入试管中,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; 注意:不能让滤液细线触及层析液;
层析液
培养皿
为什么试管或烧杯要盖严?
为什么滤液细线不能触及层析液?
防止层析液中(有毒)成分挥发;
避免滤液细线中的色素被层析液溶解,而不能在滤纸上扩散;
(5)观察与记录
观察试管内滤纸条上出现了几条色素带,以及每条色素带的颜色和宽窄;
***色素的宽窄可以表示色素的含量!!
(6)实验结果
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
色素的功能:吸收、传递和转化光能
不同色素对光的吸收差异
可见光光谱
光是一种电磁波,分为可见光和不可见光。可见光的波长是400-760nm。不同波长的光,颜色不同。
不同色素对光的吸收差异
太阳光
太阳光是由多种波长的光混合而成
四种光合色素对光的吸收有什么差别呢?
不同色素对光的吸收差异
实验结果表明:
叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。
不同色素对光的吸收差异
植物工厂的LED灯都是做成全红、全蓝、红蓝组合三种形式。
不同色素对光的吸收差异
叶片为什么是绿色的呢?
光
叶绿体
反射光
透过光
吸收光
因为叶绿素对绿光吸收最少,绿光被反射回来,所以叶片才呈现绿色。
为什么有些植物叶片在不同时期颜色不同呢?
由于叶绿素比类胡萝卜素易受到低温的破坏,秋季低温使叶绿素大量破坏,而使类胡萝卜素的颜色显示出来
花青素,是自然界一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素。水果、蔬菜、花卉中的主要呈色物质大部分与之有关。在植物细胞液泡不同pH 条件下,花青素使花瓣、叶片等呈现五彩缤纷的颜色。
我们平时吃的韭黄是怎么培育出来的?
叶绿素是光合色素中重要的一类色素,绿色植物只在光下才能合成叶绿素。韭黄是在黑暗的条件下培育出来的,因为植物此时不能合成叶绿素,只能长成黄化苗,而黄化苗的薄壁细胞比较多,吃起来较嫩,口感比韭菜好一些。但是,植物不能长期处于无光条件下
总结:光合色素
影响叶绿素合成的三大因素
叶绿素不稳定,易分解
总结:植物色素
比较项目 光合色素 细胞液色素
存在部位 叶绿体 液泡
溶解性 脂溶性 水溶性
代表种类 类胡萝卜素和叶绿素 花青素
颜色 橙黄、黄、绿 红、蓝、紫
颜色变化 不随pH改变变化颜色 随pH改变变化颜色
海洋中的藻类,习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻,它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象是如何造成的?
思考·讨论
叶绿体的结构适于进行光合作用
1g菠菜叶片中的类囊体总面积竟有60m2左右。
水绵
叶绿体的结构适于进行光合作用
黑藻
叶绿体的结构适于进行光合作用
1.实验材料为什么选择水绵和好氧细菌?
2.为何要除去小室中原有的空气?
3.在黑暗中用极细光束照射水绵有何巧妙之处?
4.由实验能得出什么结论?
叶绿体的结构适于进行光合作用
恩格尔曼进一步实验
光
三棱镜
临时装片
好氧细菌
水绵
好氧细菌
1.大量的好氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域,为什么?
叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体是光合作用的场所,并且能够吸收特定波长的光。
叶绿体内部巨大的膜表面上,分布着许多吸收光能的色素分子,在类囊体膜上和叶绿体基质中,还有很多进行光合作用所必需的酶。
叶绿体的结构适于进行光合作用
图片均摘自那颜《带着蓝藻去火星》
小结
1.叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光,胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。
2.叶绿体是捕获光能、进行光合作用的场所。
3.叶绿体内部巨大的膜表面上,分布着许多吸收光能的色素分子,在类囊体膜上和叶绿体基质中,还有很多进行光合作用所必需的酶。
二 、 光合作用的原理和应用
核糖体
DNA
类囊体薄膜
外膜
内膜
类囊体
基质
基质
基粒
基粒
叶绿体的结构适于进行光合作用
1g菠菜叶片中的类囊体膜总面积竟有60m2左右。
叶绿体内部巨大的膜表面上,分布着许多吸收光能的色素分子,在类囊体膜上和叶绿体基质中,还有很多进行光合作用所必需的酶。
光合色素有哪些?分布在哪儿?
光合作用: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
光能
叶绿体
(CH2O)
+
O2
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)
→
→
糖
1、19世纪末:CO2分子中C和O被分开,氧气被释放,C与H2O结合形成甲醛,甲醛分子转化成糖。
光合作用的原理
实验1:1937、希尔实验
材料:离体叶绿体
处理:给离体叶绿体悬浮液加入氧化剂,
不通入CO2;给予光照
结果:叶绿体有O2释放。
叶绿体中H2O光解产生氧气。
推测:
那么这是否能说明光合作用中氧气中的氧元素全部来自水?
光合作用的原理
实验2:1941、鲁宾和卡门实验
用放射性同位素标记来研究物质的去路
材料:小球藻
处理:用18O分别标记CO2和H2O,给予光照。
结果:A为O2,B为18O2;
结论:
光合作用产生的O2来自于H2O,不来自CO2。
实验3:阿尔农实验1
材料:离体叶绿体
处理:加入ADP、Pi,给予光照
结果:叶绿体生成ATP,且同时水光解产生氧气;
光照下,水光解同时ADP和Pi合成ATP。
结论:
光合作用的原理
氧气的产生(水的光解)和糖类的合成不是一个化学反应
光合作用的过程
根据是否需要光能,将这些化学反应概括为光反应和暗反应两个阶段。
ADP+Pi
ATP
叶绿体中的色素
高能电子
水
e
e
光能
NADPH和ATP
电子
传递
→
光反应过程详解
类囊体腔
Hill实验中DCPIP代替NADP+接受电子
ADP+Pi→ATP
NADP++H++2e→NADPH
类囊体腔
H2O→O2+2H++2e
光
(一)、光反应:光合作用第一阶段
条件:
场所:
物质变化:
产物:
能量变化:
叶绿体的类囊体薄膜
光、色素、酶
光能转化为活跃的化学能
O2 、ATP、NADPH
光合作用的原理
叶绿体类囊体薄膜结构与功能的统一
ATP
合成酶
光合作用产生的有机物又是怎样合成的呢?
20世纪40年代,美国科学家卡尔文利用放射性同位素14C标记的14CO2做实验研究这一问题。最终探明CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中的碳的途径,这一途径称为卡尔文循环。
1961年诺贝尔化学奖
用14C标记14CO2,供小球藻进行光合作用,探明了CO2中的C的去向,当反应时间0.5S 时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中,当反应时间5s时, 14C出现在一种五碳化合物(C5)中和六碳糖(C6),实验结果说明CO2中C的转移途径是
CO2 ?
1940,卡尔文实验一
CO2 C3
C5
C6
实验4
C5
2C3
实验现象:如果光照下突然中断CO2供应,C3急剧减少而C5量增加;突然停止光照,C3浓度急速升高而C5的浓度急速降低。
CO2
(CH2O)
结论:
C3与C5之间是相互循环的。
多种酶
实验5
卡尔文实验二
还原的C3
大家能不能根据这两种条件下C3和C5的量变情况,结合前面实验结果,CO2可以合成C3,C3能够合成C5,推测一下C5和CO2的关系。试着用箭头和文字的方式画一下。
条件:
场所:
物质变化:
产物:
能量变化:
叶绿体基质
有光无光均可、多种酶
(二)、暗反应:光合作用第二阶段
(CH2O)、ADP+Pi、NADP+
小 结
光合作用原理
ATP
NADPH
ADP+Pi
NADP+
C3
C5
O2
项目
场所 叶绿体 上 叶绿体 中
条件 需 、 、水和酶 需多种酶、 、 、CO2
物质 变化 水的光解: CO2的固定:
C3的还原:
ATP的分解:
能量 转化
类囊体的薄膜
基质
光能转化为ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能
联 系 光反应为暗反应提供 ;暗反应为光反应提提供 。
两者相互独立又同时进行,相互制约又密切联系。
光反应阶段
暗反应阶段
光
色素
[H]
ATP
H2O 光 [H]+O2
ATP的合成:
ADP+Pi +能量→ATP
酶
CO2+C5 2C3
酶
2C3 (CH2O)+C5
[H]、ATP
酶
ATP→ADP+Pi+能量
酶
[H]和ATP
ADP和Pi
区
别
光合作用的过程
光合作用的重要意义
1.为生物的生存提供了物质来源和能量来源。
2.维持大气中氧气和二氧化碳含量的相对稳定
3.促进生物进化
从物质转变和能量转变的过程来看,光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢。
例如:化能合成细菌(硝化细菌)、光合细菌(蓝细菌)
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2
能量
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。
氨氧化成亚硝酸,进而将亚硝酸氧化成硝酸,这两个反应释放出的化学能,被硝化细菌用来将CO2和H2O合成糖类。
化能合成作用
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
条件骤变对光合作用中各物质的影响
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
NADP+
NADPH
酶
可见光
CO2浓度不变 NADPH、ATP C3 C5 (CH2O)
光照减弱 减少 增加 减少 减少
光照增强 增加 减少 增加 增加
小组讨论,完成表格
叶绿体
中的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
NADP+
NADPH
酶
可见光
光照不变 NADPH、ATP C3 C5 (CH2O)
CO2浓度减少 增加 减少 增加 减少
CO2浓度增加 减少 增加 减少 增加
条件骤变对光合作用中各物质的影响
条件骤变对光合作用中各物质的影响
(1)以上各物质的变化是相对含量的变化,且是在条件改变后的短时间内发生的。
注意事项:
(2)在以上各物质的含量变化中:C3和C5含量的变化是相反的,即C3增加,则C5减少;NADPH和ATP的含量变化是一致的,都增加,或都减少。
三、光合作用原理的应用
1、光合作用强度:植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。(光合速率)
强度
光质
土壤含水量
种类数量Mg肥
N肥
影响光合作用强度的因素
活性含量
温度
N肥等
浓度
合作探究
P肥
N肥
光合作用原理的应用
3、探究环境因素对光合作用的影响
自变量:光照(强度、光质)、温度、CO2浓度等
因变量:光合速率(光合作用强度)
无关变量:植物叶片、其他环境条件处理
问题:如何测量光合速率?
CO2的吸收量:可以用红外线CO2传感器测量
O2的释放量:小叶片浮起数量法
有机物的合成量:淀粉含量测量法
光合作用原理的应用
实验原理:
叶片含有空气,上浮
抽气
叶片下沉;
O2充满细胞间隙,叶片上浮。根据单位时间小圆形叶片浮起的数量的多少,探究光照强度与光合作用强度的关系。
光合作用
产生O2
光合作用原理的应用
探究光照强度对光合速率的影响
实验材料:
实验步骤:
1.取叶片均分三组,进行编号。
2.不同处理:给予低、中、高的光照
3.相同处理:
圆形的生长旺盛的绿色小叶片
用注射器排除叶片中的气体;放入适宜浓度的NaHCO3溶液中
光合作用原理的应用
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
方法步骤:
1.打孔:用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
方法步骤:
2.将圆形小叶片置于注射器内,使叶片内气体逸出
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
方法步骤:
3.将处理过圆形小叶片放入清水中,黑暗保存
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
方法步骤:
4.取3只小烧杯,分别倒入富含CO2的清水(1%~2%的NaHCO3溶液)
探究光照强弱对光合作用强度的影响
探究 实践
方法步骤:
5.向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片,分别置于强、中、弱光下
测量并记录实验结果:
光合作用原理的应用
光合作用原理的应用
实验结论:
统计并分析实验结果:
随光照强度的增强光合作用强度增加
光饱和点:随光照增强光合作用不再增强时的光照强度
光饱和点
总光合速率=净光合速率+呼吸速率
问题:实验所测是否为叶片实际光合作用强度?
O2
CO2
O2
CO2
光合作用原理的应用
真正/实际/总光合(速率)=呼吸(速率)+ 净光合(速率)
测 量
计 算
速率 CO2 O2 糖类
实际/总/真正光合 固定、消耗、 产生 制造、生成
表观/净 (光下测量植物体) 吸收 释放 积累
呼吸 (黑暗中测量) 释放/产生 吸收 消耗
如何修改光照强度与光合作用强度的关系图?
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
(A:只呼吸,无光合)
O2
CO2
(AB:光合<呼吸)
O2
CO2
CO2
O2
(B:光合=呼吸)
(BC:光合>呼吸)
CO2吸收量
CO2释放量
光照强度
O
A
光合作用强度=呼吸作用强度
B
净光合速率
呼吸速率
总(真)光合速率
光照强度
A:光合作用为0,只进行呼吸作用
光补偿点
C
光合作用强度达到最大值,达到饱和
C点光饱和点:随光照增强光合作用不再增强时的光照强度
B点光补偿点:植物达到光合速率等于呼吸速率时,所对应的光照强度。
AB段:光合<呼吸
BC段:光合>呼吸
光合作用原理的应用
C点后限制因素CO2 、温度等
阴生植物
是指在弱光条件下比强光条件下生长良好的植物。
阳生植物
在强光环境中生长发育健壮,在阴蔽和弱光条件下生长发育不良的植物称阳性植物
阴生植物
阳生植物
二、光合作用原理的应用
3、影响因素:(1)光照强度
光照强度
0
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
D
提示:阴生植物的呼吸作用较弱,光补偿点B1在B点左侧;对光的利用能力也不强,最大光合速率C1往左下移。
应用:
合理密植
间作套种
适当剪枝
讨论:若该曲线表示的是阳生植物的光合速率,阴生植物的曲线该如何画?据此生产上有哪些应用?
CO2吸收速率
CO2
释放
速率
夏季自然环境中一昼夜植物叶肉细胞CO2吸收速率的变化曲线
凌晨,温度降低,细胞呼吸减弱,CO2释放减少;a点可能是呼吸作用最低的时刻;
a点:
b点:
有微弱光照,植物开始进行光合作用;
bc段:
光合作用强度小于细胞呼吸强度;
c点:
早晨7时左右,光合作用强度等于细胞呼吸强度;
光合作用强度大于细胞呼吸强度;
ce段:
d点:
温度过高(蒸腾作用增强),部分气孔关闭( CO2供应不足),(光合速率降低)出现“午休”现象;
e点:
下午6时左右,光合作用强度等于细胞呼吸强度;
ef段:
光合作用强度小于细胞呼吸强度;
fg段:
没有光照,光合作用停止,只进行细胞呼吸;
密闭容器中一昼夜单细胞绿色植物CO2浓度的变化曲线
无光照,植物只进行细胞呼吸;
AB段:
BC段:
温度降低,细胞呼吸减弱(曲线斜率下降);呼吸作用的最小值可能出现在该段;
CD段:
4时后,微弱光照,开始进行光合作用,但光合作用强度小于细胞呼吸强度;
D点:
随光照增强,光合作用强度等于细胞呼吸强度;
DH段:
光合作用强度大于细胞呼吸强度;其中FG段表示“午休”现象;
随光照减弱,光合作用强度下降,光合作用强度等于细胞呼吸强度;
H点:
HI段:
光照继续减弱,光合作用强度小于细胞呼吸强度,直至光合作用完全停止;
I点低于A点:
一昼夜,密闭容器中CO2浓度减小,减少的CO2转化成有机物积累在植物体内(若I点高于A点,植物不能正常生长)
二、光合作用原理的应用
3、影响因素:(2)CO2浓度
CO2浓度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
D
A点:
对应的CO2浓度为能进行光合作用的最低CO2浓度。
CO2补偿点
光合速率=呼吸速率
最大光合速率
B点:
C点:
1.多施有机肥或农家肥;
2.温室栽培可使用CO2发生器等;
3.大田中还要注意通风透气。
应用:
讨论:C点之后光合速率的限制因素有哪些?(提示:外因、内因)
外因:主要为光照强度和温度,
内因:酶的数量和活性。
对应的D点为CO2饱和点
为什么?
二、光合作用原理的应用
3、影响因素:(3)温度
O
温度
A
光合速率
B
C
原理:
温度通过影响 影响光合作用,主要制约 反应。
温度过高时植物 ,光合速率会减弱。
1.温室中,白天适当提高温度,晚上适当降温,从而提高作物产量(有机物积累量)。
2.解释植物“午休”现象。
应用:
酶的活性
暗
气孔关闭
二、光合作用原理的应用
3、影响因素:(4)矿质元素
N:光合酶及NADP+和ATP的重要组分;
P:NADP+和ATP的重要组分;
K:促进光合产物向贮藏器官运输,如淀粉的运输;
Mg:叶绿素的重要组分。
应用:合理施肥
讨论:环境中矿质元素含量过高对植物的生长会造成什么影响?
提示:矿质元素含量过高,根细胞很难吸水,甚至失水,光合速率也会下降,甚至停止。
二、光合作用原理的应用
缺水
气孔关闭
限制CO2进入叶片
光合作用受影响
原理:水既是光合作用的 ,又是体内各种化学反应的 ,直接影响光合作用速率;
水分还能影响气孔的 ,间接影响 进入叶片,从而影响光合作用速率。
3、影响因素:(5)水
应用:合理浇灌
原料
介质
开闭
CO2
)
1、适当提高光照强度、延长光照时间
2、合理密植
3、适当提高CO2浓度(施农家肥、通风)
4、白天适当提高温度,夜间适当降低温度
5、适当增加植物体内的含水量(浇水)
6、适当增加矿质元素的含量 ( 施肥)
利用光合作用原理提高农作物产量的措施
资料:我国北魏时期的农书《齐民要术》中,有关于栽种农作物要“正其行,通其风”的记载。
1、气体体积变化法
项目 放置环境 烧杯中的溶液及各自作用 预测红墨水滴移动方向 原因分析
测定植物呼吸作用速率
测定植物净光合作用强度
植物只进行呼吸作用,植物进行有氧呼吸消耗O2,而释放的CO2气体被装置烧杯中NaOH溶液吸收,导致装置内气体、压强减小,红色液滴向左移动
遮光、黑暗
光线充足、温度适宜
NaOH溶液;
NaHCO3溶液;
作用:吸收CO2
作用:维持容器中CO2的浓度;
左移
右移
NaHCO3缓冲溶液维持装置中的CO2浓度;植物光合作用强度超过呼吸作用强度,释放O2,导致装置内气体量增加,红色液滴向右移动 ;
三、测定植物真光合速率方法
习题巩固
1.下图是夏季晴朗的白天,某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。
分析曲线图并回答:
(1)7~10时的光合作用强度不断增强原因:
(2)12时左右的光合作用强度明显减弱原因:
(3)14~17时的光合作用强度不断减弱原因:
光照不断减弱,光合作用强度不断减弱。
光照不断增强,光合作用强度不断增强。
温度很高,蒸腾作用很强,气孔关闭,
二氧化碳供应减少,光合作用强度明显减弱。
A
B
D
C
E
时间
光
合
作
用
速
率
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
习题巩固
2.光合作用的过程可分为光反应和暗反应两个阶段,
下列说法正确的是( )
A.叶绿体类囊体膜上进行光反应和暗反应
B.叶绿体类囊体膜上进行暗反应,不进行光反应
C.叶绿体基质中可进行光反应和暗反应
D.叶绿体基质中进行暗反应,不进行光反应
D
习题巩固
3. 在适宜反应条件下,用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后,
突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。
下列是光源与瞬间发生变化的物质,组合正确的是( )
A. 红光,ATP下降
B. 红光,未被还原的C3上升
C. 绿光,NADPH下降
D. 绿光,C5上升
C