生物人教版（2019）必修一5.4光合作用与能量转化课件（共51张ppt）

(共51张PPT)
第5章 第4节 光合作用与能量转化
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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。
植物工厂
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植物工厂
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。
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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。
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
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植物正常生长需要光能，而叶片中的色素可能与光能的捕获有关。
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一、捕获光能的色素和结构
捕获光能的色素
绿叶中色素的提取与分离
提取色素的原理：
叶绿体中的色素属于脂溶性色素，不溶于水，易溶于有机溶剂，因此可用无水乙醇等有机溶剂来提取。
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据《绿叶中色素的提取》视频并阅读教材P98的实践与探究，回答下列问题：
1.色素提取时所用试剂有哪些？它们的作用分别是什么？
无水乙醇：溶解色素；
二氧化硅：使研磨更加充分；
碳酸钙：保护色素免于被破坏。
2.研磨时应注意什么？目的是什么？
迅速且充分。
保证色素释放的更加充分且挥发量少。
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分离色素的方法：
纸层析法
层析法是利用待分离物质中不同组分的某些理化性质的差异而建立起来的一种分离技术。
分离色素的原理：
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；溶解度低的随层析液在滤纸上扩散得慢。
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据视频《绿叶中色素的分离》并阅读教材P98-99的实践与探究，回答下列问题：
2.分离色素时有哪些注意事项？
1.滤液细线的划线原则是什么？
3.滤纸条上有几条色素带？它们是按照什么次序分布的？
4.滤纸条上色素带的分布情况说明了什么？
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2.分离色素时有哪些注意事项？
不能让层析液滤液细线触及层析液。
使用时应注意盖好盖子并避免挥发。
层析过程应在通风处进行。
结束时应用肥皂将手洗干净。
1.滤液细线的划线原则是什么？
细、直、匀。
待滤液干后，再重画一到两次。
滤纸上的滤液细线若触到层析液，滤液细线中的色索会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散。
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3.滤纸条上有几条色素带？它们是按照什么次序分布的？
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
（橙黄色）
（黄色）
（蓝绿色）
（黄绿色）
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4.滤纸条上色素带的分布情况说明了什么？
滤纸条上的色素带说明了绿叶中的色素有4种，它们在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上扩散的快慢也不同;
由于4种色素的颜色不同，也说明不同色素吸收了不同波长的光。
绿叶中的色素
叶绿素
（含量约占3/4）
类胡萝卜素
（含量约占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）
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1.某研究小组获得了红花菜豆的叶黄素缺失突变体。从叶黄素缺失突变体叶片中提取色素，用纸层析法分离色素，如右上图所示，色素层析条带分离结果是（ ）
B
A B C D
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2.为研究城市环境污染和某植物生命活动的关系，研究者测定了不同污染程度下该植物叶片光合色素的含量，获得的数据处理成下面的柱状图。请分析回答下列问题：
⑴提取叶片中光合色素时常使用____________（试剂）研磨法来获取色素，为使____________，还可加入少许二氧化硅。
⑵纸层析法是分离叶片光合色素的简便方法。若研究者用该方法______(能/不能)获得上述实验数据，原因是_____________________________________________
___________________。
⑶据图可知，污染程度的加剧使________________________（色素类型）的含量减少。
无水乙醇
（有机溶剂）
研磨充分
不能
纸层析法只能用于分离后的色素带的观察，不能进
叶绿素 a 和叶绿素 b（叶绿素）
行定量分析
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阅读教材P99最后一自然段，说出4种色素的主要吸收光谱。
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。
色素的功能：
吸收光能，并且吸收光存在差异。
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思 考：
植物工厂里为什么的LED灯都是做成全红、全蓝、红蓝组合三种形式？为什么不用发绿光的光源？
绿色光源发出绿色的光，这种波长的光线不能被光合色素吸收，因此无法用于光合作用中制造有机物。
叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光，植物工厂里的LED灯都是做成全红、全蓝、红蓝组合，植物的光合作用强。
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叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体的分布
叶绿体的形态
叶绿体的结构
主要存在于叶肉细胞、茎幼嫩的皮层细胞、保卫细胞。
扁平的椭球形或球形
类囊体
（有酶，含少量DNA和RNA）
(有色素和酶)
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叶绿体的功能
阅读教材P100—101思考.讨论，回答下列问题：
1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
2.恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？
4.综合上述资料,你认为叶绿体具有什么功能？
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1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
2.恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
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
水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察，用好氧细菌可确定释放氧气多的部位;
没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰;
用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一-组对比实验;
临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果
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3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？
4.综合上述资料,你认为叶绿体具有什么功能？
水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布
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。
课堂小结:
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。
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3.叶绿体中的色素具有在光合作用过程中可以吸收、传递、转化光能的作用。下列有关叙述中，正确的是（ ）
A. 叶绿体中的色素分布在类囊体薄膜和叶绿体内膜
B. 叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和胡萝卜素的合成都需要镁
C.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
D.提取叶绿体中色素时，加入无水乙醇是为了防止色素被破坏
C
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二、光合作用的原理和应用
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。
同学们先来猜一猜，
O2是来自H2O还是来自CO2？
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光合作用的原理
根据实验分析光合作用原理
实验1：鲁宾和卡门实验
实验思路：
用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。
光合作用产生的O2来自于H2O，不来自CO2。
结果：A为O2，B为18O2；
结论：
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光合作用的原理
根据实验分析光合作用原理
实验2：希尔实验
实验思路：施加单一变量进行研究
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。
推测：
叶绿体中H2O光解产生氧气。
问题：希尔实验中的氧化剂起到什么作用？
结合H2O分解产生的2H+和2e-
问题：叶绿体内参与光合作用的氧化剂是什么？
NADP++2H++2e- NADPH+H+
酶
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光合作用的原理
根据实验分析光合作用原理
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：
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总结：叶绿体类囊体薄膜结构与功能的统一
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光合作用的原理
根据实验分析光合作用原理
实验4：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。
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光合作用的原理
根据实验分析光合作用原理
实验：卡尔文实验1
实验思路：同位素标记14CO2，研究物质转化过程
材料：小球藻
处理：光照、提供14CO2；不同时间杀死小球藻，再纸层析分离，最后鉴定放射性物质。
CO2 C3 C6
C5
结果：先出现14C3，最后出现14C5、14C6
结论：
5秒后
60秒后
三碳化合物
5秒后
其他中间产物
60秒后
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光合作用的原理
根据实验分析光合作用原理
卡尔文实验2：
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。
结论：
C3与C5之间是相互循环的。
C5
2C3
还原的C3
CO2
（CH2O）
多种酶
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光合作用的原理
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光合作用的原理
ATP
NADPH
ADP+Pi
NADP+
O2
C3
C5
叶绿体中的色素
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比较项目 光反应 暗反应
区 别 所需条件
进行场所
物质变化
能量变化
联 系 光反应和暗反应的区别与联系
必须有光
有光或无光均可
类囊体膜
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
物质联系:光反应生成的ATP和NADPH供暗反应C3的还原，而暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP+。
能量联系:光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。
课堂小结:
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4.下列对于暗反应阶段的描述中，不正确的是（ ）
A.在叶绿体的基质中进行
B.可将 CO2转变成有机物
C.是需要黑暗条件的酶促反应
D.暗反应中可以生成 C3化合物
5.一般情况下光照增强，绿色植物的光合作用增强。但是在光照最强的夏季中午，由于气孔关闭，CO2进入叶肉细胞减少，绿色植物的光合作用不但不继续增强，反而下降，这是因为（ ）
A.供给光反应光解的水的数量不足
B.暗反应生成的 C3化合物数量不足
C.水光解后产生的 NADPH 数量不足
D.叶绿体利用光能合成的 ATP 的数量不足
C
B
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6.用高速离心机打碎植物细胞，获得可以进行光合作用的离体叶绿体，进行如下图所示的实验。
没有
二氧化碳被氢氧化钠吸收,
叶绿体的类囊体
没有
ATP 和 NADPH
请分析回答下列问题：
⑴实验A中__________（有/没有 ）糖类产生，原因是_____________________
_______________。
⑵因为光合作用的光反应阶段是在_____________中进行，所以试验 B 中_____
（有/没有）糖类产生。
⑶若让实验C中产生糖类，锥形瓶中至少还应该加入光反应的产物__________。
没有二氧化碳
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光合作用原理的应用
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。
环境因素：阳光、温度、水、CO2浓度、无机营养等
内部因素：叶绿体的数量（叶绿素的含量）、酶的数量等
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光合作用原理的应用
探究环境因素对光合作用强度的影响
自变量：
光照（强度、光质）、温度、CO2浓度等
因变量：光合速率
无关变量：植物叶片、其他环境条件处理、实验操作等
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
有机物合成量：淀粉含量测量法
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光合作用原理的应用
实验目的：探究光照强度对光合作用强度的影响
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
4.测量并记录实验结果：
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光合作用原理的应用
实验结论：
统计并分析实验结果：
在一定范围内，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
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光合作用原理的应用
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
较强光照时
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光合作用原理的应用
问题：如何修改光强与光合作用强度的关系图？
光补偿点：光合作用强度等于呼吸作用强度时的光照强度
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其他环境因素对光合作用强度的影响
温度
光合作用强度
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光合作用原理的应用
思考与讨论：
利用光合作用原理可采取哪些措施来提高农作物产量？
合理补充光照
合理补充CO2
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光合作用原理的应用
思考与讨论：
利用光合作用原理可采取哪些措施来提高农作物产量？
合理灌溉
合理施肥
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光合作用原理的应用
解释现象：
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。
通风透光，既有利于充分利用光能，又可以使空气不断流过叶面，提供较多的CO2，从而提高光合作用强度来光合产量。
问题：分析采取这种措施的原因是什么？
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光合作用原理的应用
解释现象：
尝试利用光合作用原理建立植物工厂
控制室内的光照、温度、湿度、CO2浓度和营养液成分
问题：如何保证植物工厂中植物生长的最适环境条件呢？
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比较项目 光合作用 细胞呼吸
区 别 部位
条件
原料
产物
实质（物质和能量转变）
联 系 光合作用与细胞呼吸的区别与联系
含有叶绿体的细胞,其场所是叶绿体
所有生活的细胞,主要场所是线粒体
光，酶
有光无光均可，酶
CO2和H2O
有机物和O2
有机物和O2
CO2和H2O
CO2转化成糖类等有机物，光能转化为化学能储存在葡萄糖等有机物中
分解有机物产生CO2和H2O，同时释放能量
光合作用为呼吸作用提供氧气和有机物;对绿色植物而言，呼吸作用为光合作用提供必要的能量，用于原料吸收和产物运输等
课堂小结:
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拓 展
生活在土壤中的硝化细菌，能将土壤中的氨( NH3)氧化成亚硝酸（HNO2)，进而将亚硝酸氧化成硝酸（HNO3)。这两个化学反应中释放出的化学能，就被硝化细菌用来将CO2和H2O合成糖类。这些糖类就可以供硝化细菌维持自身的生命活动。
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。
化能合成作用：
总 结：可以把无机物合成有机物的生物包括
绿色植物、化能合成细菌（如硝化细菌）、光合细菌（如蓝细菌）
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7.在封闭的温室内栽种农作物，下列不能提高作物产量的措施是（ ）
A.增加光照强度
B.降低室内CO2浓度
C.适当延长光照时间
D.保持合理的昼夜温差
8.下列关于光合作用和细胞呼吸的叙述，正确的是（ ）
A.光合作用和细胞呼吸总是同时进行
B.光合作用产生的 ATP 全部用于细胞呼吸
C.光合作用形成的糖类能在细胞呼吸中被利用
D.光合作用与细胞呼吸分别在叶肉和根细胞进行
B
C
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9.小麦黄化（失绿）是高等植物基因突变导致叶绿素含量下降的现象。科研人员发现某突变型水稻叶片的叶绿素含量约为野生型的一半，但固定 CO2的酶活性显著高于野生型。右图所示
两条曲线分别为两种类型水稻在不同光照强
度下的 CO2吸收速率。下列叙述不正确的是
（ ）
A.曲线 A 和 B 与纵坐标轴的交点相同代表呼
吸速率相同
B.曲线 B 表示突变型，其光饱和点对应的光
照强度较低
C.在 P 点处突变型和野生型水稻的真（总）光合速率一定相同
D.低于 P 点时，限制突变型小麦光合速率的主要环境因素是光照强度
B
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10、下图表示在正常温度下，不同 CO2浓度、不同光照强度对某种植物吸收 CO2 量的影响。
（1）当光照强度为低光强时，从 A 点开始随着______________的增加，此植物光合作用强度不再增加。
（2）当 CO2浓度为 B、光照强度为________（高光强/低光强）时，此植物可合成较多的有机物，原因是光反应可以产生较多的 ATP和________________ 。
（3）据图可知，光合作用受_____________和________________的共同影响。
二氧化碳浓度
高光强
NADPH（[H]）
二氧化碳浓度
光照强度