5.4光合作用第2课时 课件(共65张PPT)高中人教版生物必修一

(共65张PPT)
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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
功能：吸收、传递和转化光能
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叶绿体的结构适用于进行光合作用
这四种色素吸收的光波长有差别，但都可以用于光合作，这些色素存在细胞中的什么位置呢？
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叶绿体的结构适用于进行光合作用
叶绿体的结构适用于进行光合作用
类囊体薄膜上
类囊体薄膜和基质
色素分布：
酶分布：
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叶绿体的结构适用于进行光合作用
每个基粒都含有两个以上的类囊体，多的可达100个以上。
基粒和类囊体极大的扩展了受光面积。
1g菠菜叶片的类囊体的总面积大约在60m2左右
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叶绿体的结构适用于进行光合作用
叶绿体除了吸收光能以外，还有什么功能吗？
恩格尔曼的第一个实验
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.为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下？
5.由实验能得出什么结论？
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叶绿体的结构适用于进行光合作用
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。
恩格尔曼进一步实验
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
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叶绿体的结构适用于进行光合作用
结合其他实验证据，科学家们得到了叶绿体是光合作用的场所这一结论。
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叶绿体的结构适用于进行光合作用
类囊体薄膜上分布着色素
光合作用所需要的酶
二 光合作用的原理及应用
光合作用
黑匣子
问题：光合作用是怎样的？又是被如何发现的？
公元前3世纪亚里士多德的观点
植物的根是一张嘴， 植物生长所需的一切物质，都是通过根从土壤得到的。
1.光合作用研究史
1642年，赫尔蒙特（比利时）盆栽柳树实验
柳树苗与干燥土壤称重—— 铁盖盖好 ——只浇雨水——5年后分别称重
柳树：2.3kg-----76.8kg,干土重：90kg-----89.943kg
赫尔蒙特的结论：
柳树生长所需的物质不是来自土壤，而来自于水。
1.光合作用研究史
光合作用
黑匣子
光合作用黑匣子
H2O
是谁首先想到植物生长与空气有关的呢？
1.光合作用研究史
1771年，（英）普里斯特里的实验
实验有时成功，有时失败，为什么呢？
结论：植物改善空气成分
1.光合作用研究史
1779年，英格豪斯（荷兰医生）的改进实验
结论:光是植物净化空气的条件
发现了空气的成分后， 17 85年，人们才明白: 绿叶在光照下放出的是O2
1.光合作用研究史
光合作用
黑匣子
光合作用黑匣子
H2O
光 照
O2
光合作用除了光和水还需要什么？
1.光合作用研究史
1782年，塞尼比尔实验（瑞士牧师）
发现经煮沸过的水中放入绿叶时，即使光照充足也不能收集到氧气。只有在水中通入二氧化碳后，才能看到气泡。
1.光合作用研究史
塞尼比尔实验结论：
光和二氧化碳是植物放氧所必须的
氧气来自于二氧化碳
加入 CO2才有氧气放出
光合作用
黑匣子
光合作用黑匣子
H2O
光 照
O2
CO2
为什么植物生长，1845年，德国科学家梅耶：
光能转换成了化学能贮存起来！
1.光合作用研究史
德国植物学家萨克斯在1864年做了“绿叶在光下制造淀粉”的实验。
暗处理几小时
酒精脱色
滴加碘液
一半遮光 一半曝光
萨克斯实验示意图
1.光合作用研究史
④
⑤
⑥
①
②
③
光合作用的产物研究——半叶实验
光合作用
黑匣子
光合作用黑匣子
H2O
光 照
O2
CO2
(CH2O)
光合作用在哪里进行？
1.光合作用研究史
没有氧气的黑暗环境
1880年，恩格尔曼（美国）的水绵实验
极细光束
好氧细菌
带状叶绿体
没有氧气的光照环境
1.光合作用研究史
光合作用
黑匣子
光合作用黑匣子
H2O
光 照
O2
CO2
(CH2O)
叶绿体
来自于谁？
CO2+H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+O2
1.光合作用研究史
19世纪末
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。
1.光合作用研究史
1937年，希尔实验（英国）
追踪氧气来源
希尔实验发现：
没有CO2存在，O2也能产生。
1.光合作用研究史
1.希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？
能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。
2.希尔反应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，反应体系中可以还存在其他氧元素供体。
O2来源的进一步追踪
鲁宾和卡门的同位素标记实验（美国）
1.光合作用研究史
结论：说明植物光合作用产生的氧气中全部都来自水。
光合作用
黑匣子
光合作用黑匣子
H2O
光 照
O2
CO2
(CH2O)
叶绿体
来自于水
？
CO2+H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+O2
1954年：
ADP＋Pi→ATP
光
1957年：
NADP＋＋H+＋2e→NADPH
H2O→1/2O2 ＋2H+＋2e
光
1958年：光反应发生在基粒
ADP＋Pi→ATP
1.光合作用研究史
1954年，阿尔农实验1（美国）
结论：光照下，水光解同时ADP和Pi合成ATP。
1.光合作用研究史
1958年后，阿尔农实验2
材料：离体叶绿体
处理：供给ATP、NADPH和CO2，黑暗条件
结果：离体叶绿体中有糖类生成
结论：黑暗条件下，CO2合成糖类需要ATP和NADPH。
1.光合作用研究史
20世纪40年代，卡尔文实验1
1、向藻类细胞光合作用的原料中加入14CO2
2、连续60s取样，将藻类细胞置于热酒精中
3、分离溶解物中的分子
4、进行放射性显影，以确定放射性的部位
5s取样时产生的放射性物质
60s取样时产生的放射性物质
再溶解，化学分析，表明是3-磷酸甘油酸（C3）
实验结果
依次出现的放射性物质代表了暗反应过程中各种产物依次出现的顺序
先出现14C3，最后出现14C5、14C6
其他中间产物
三碳化合物
CO2 C3 C6
C5
结论：
1.光合作用研究史
20世纪40年代，卡尔文实验1
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).
③30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
C5
2C3
还原的C3
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
1.光合作用研究史
20世纪40年代，卡尔文实验2
哪一种物质与CO2结合生成C3？
相对含量
时间/s
1% CO2
0.003% CO2
3-磷酸甘油酸（C3）
苹果酸（C4）
乙醇酸（C2）
RuBP（C5）
X＋CO2→C3
Hartmut Michel, Johann Deisenhofer and
Robert Huber
The Nobel Prize in Chemistry 1988:
"for the determination of the three-dimensional
structure of a photosynthetic reaction centre“
Paul D. Boyer and John E. Walker
The Nobel Prize in Chemistry 1997: “for their elucidation of
the enzymatic mechanism underlying the synthesis of
adenosine triphosphate (ATP)"
Melvin Calvin
The Nobel Prize in Chemistry 1961: "for his research
on the carbon dioxide assimilation in plants"
诺贝尔化学奖曾经8次授予光合作用
上述一系列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，光合作用包括一些列化学反应。
根据是否需要光能，可以概括的分为光反应(light reaction)和暗反应(dark reaction)，暗反应也称为碳反应(carbon reaction)。
2.光合作用的原理
能量变化
联系
场所
叶绿体的类囊体薄膜
叶绿体基质
光能转变为ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能转变为糖类中稳定的化学能
光反应为暗反应提供还原剂和能量
2.光合作用的原理
ATP
NADPH
ADP+Pi
NADP+
C3
C5
O2
2.光合作用的原理
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
→
类囊体腔
Hill实验中DCPIP代替NADP+接受电子
光反应过程详解
ADP＋Pi→ATP
NADP＋＋H+＋2e→NADPH
类囊体腔
H2O→O2＋2H+＋2e
光
光反应阶段
场所：类囊体膜（提供色素、酶、原料等）
物质变化：
能量变化：
ADP＋Pi→ATP
NADP＋＋H+＋2e→NADPH
H2O→O2＋2H+＋2e
光
光能转变为ATP和NADPH中的化学能
2.光合作用的原理
CO2的固定：
C3的还原：
C5：核酮糖-1 ,5-二磷酸，即RuBP
C3：三磷酸甘油酸
CO2＋C5→2C3
酶
C3 ＋ATP＋NADPH→3-磷酸甘油醛
酶
C5
糖类等
酶
暗反应过程
拓展：暗反应过程
暗反应阶段
场所：叶绿体基质（提供酶、原料等）
物质变化
能量变化
CO2的固定：
C3的还原：
CO2＋C5→2C3
酶
2C3 ＋ATP＋NADPH→3-磷酸甘油醛
酶
ATP和NADPH中的化学能转变为糖类等稳定化合物中的化学能
说明：
C5再生也属于卡尔文循环（暗反应）。
2.光合作用的原理
H2O
O2
H+
NADP+
NADPH
ADP+Pi
ATP
CO2
2C3
C5
(CH2O）
光反应
暗反应
相关信息：葡萄糖、淀粉在叶绿体基质中合成；
蔗糖在细胞质基质中合成
蔗糖
筛管
植物各处
葡萄糖
淀粉
2.光合作用的原理
光反应和暗反应的区别
光反应 暗反应
场所 类囊体薄膜 叶绿体基质
条件 光、色素、酶 多种酶
物质变化 2H2O→O2+4H+ H++NADP+→NADPH ADP+Pi→ATP CO2+C5 → 2C3
2C3 →C5+(CH2O)
ATP→ ADP+Pi
NADPH→NADP+
能量变化 光能→(NADPH和ATP中)活跃化学能 ATP和NADPH中活跃的化学能→糖类等有机物中稳定化学能
光反应和暗反应的联系
ATP
NADPH
ADP+Pi
NADP+
C3
C5
O2
①光反应为暗反应提供ATP和NADPH
②暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+
光反应与暗反应之间相互制约，相互影响
光反应
NADPH、ATP
暗反应
ADP、Pi、NADP+
为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：
A组：先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%
B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%。
C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%。
D组（对照组）：光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%。
回答下列问题：
（1）单位光照时间内，C组植物合成有机物的量_____（填“高于”、“等于”或“低于”）D组植物合成有机物的量，依据是
________________________________________________
________________________________________
高于
C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94%
为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：
A组：先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%
B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%。
C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%。
D组（对照组）：光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%。
回答下列问题：
（1）C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要
_________，这些反应发生的部位是叶绿体的________。
基质
光照
为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：
A组：先光照后黑暗，时间各为67.5s；光合作用产物的相对含量为50%
B组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为7.5s；光合作用产物的相对含量为70%。
C组：先光照后黑暗，光照和黑暗交替处理，每次光照和黑暗时间各为3.75ms（毫秒）；光合作用产物的相对含量为94%。
D组（对照组）：光照时间为135s；光合作用产物的相对含量为100%。
回答下列问题：
（2）A、B、C三组处理相比，随着___________________的增加，使光下产生的___________能够及时利用与及时再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。
ATP和［H］
光照和黑暗交替频率
请分析光照强度减弱后，叶绿体内的C5、C3、[H]和ATP的含量如何变化？
请分析CO2浓度下降后，叶绿体内的C5、C3、[H]和ATP的含量如何变化？
条件 光照由强到弱，CO2供应不变 光照由弱到强，CO2供应不变 CO2供应由充足到不足，光照不变 CO2供应由
不足到充足，光照不变
C3含量
C5含量
[H]和ATP的含量
在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答问题：
（1）图中物质A是___________（C3化合物、C5化合物）。
C3化合物
在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答问题：
(2)在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比A的低，原因是
__________________________________________________________
________________________________________________________。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
暗反应速率在该环境中达到稳定，即C3和C5化合物含量稳定。根据暗反应的特点，此时C3化合物的分子数是C5化合物的2倍
在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答问题：
(3)若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5化合物浓度达到稳定时，物质A的浓度将比B的________　　（低、高）。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
高
在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%的环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。回答问题：
(4)CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的_________（高、低），其原因
_______________________________________________________。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
低
CO2浓度低时，暗反应强度低，所需ATP和［H］少
①若有机物为(CH2O)：
②（计算用）若有机物为C6H12O6：
反应式(写出反应式并标出元素的去向)
2.光合作用的原理
2.光合作用的原理
光合作用与呼吸作用
光合作用 呼吸作用
代谢类型
场所
条件
物质变化
能量变化
实质
同化作用
异化作用
叶绿体
光能→化学能
细胞质基质及线粒体
酶
光、色素、酶
无机物→有机物
有机物→无机物
化学能→ATP+放能
合成有机物、储存能量
分解有机物、释放能量
化能合成作用
代谢类型
同化作用
异化作用
自养
异养
光能自养
(光合作用)
化能自养
需氧呼吸
厌氧呼吸
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组成物质，并储存能量的一类生物
同化作用类型
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，并储存能量的一类生物
例如：人、动物、真菌、大多数细菌
例如：植物、蓝细菌（光合作用）
硝化细菌（化能合成作用）
——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的合成作用
例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
CO2+H2O 糖类
能量
酶
化能合成作用
+ O2
光合作用和化能合成作用的比较
光合作用 化能合成作用
本质 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 区 别 能量 光能 氧化无机物放出的＿＿＿
代表生物 绿色植物 硝化细菌等微生物
化学能
补充：农业中松土可使硝化细菌在O2充足条件下将更多的NH3转化成NO3-或NO2-，提高肥效。
值得思考的几个问题
如何看待科学家研究过程中的错误？
科学研究成功需要哪些条件（自身的和外部的）？最重要的条件是什么？