高中生物学 人教版（2019）必修一 5.4.1光合作用与能量转化(共60张PPT，含2个视频)

(共60张PPT)
生物学（新人教版）
分子与细胞
第五章 细胞的能量供应和利用
第 4 节
光合作用与能量转化
Biology
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？
？
正常玉米植株（绿色）和白化玉米植株（白色）
一、捕获光能的色素和结构
白化苗叶片不含绿色色素，不能进行光合作用，无法制造有机养料，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。
正常幼苗叶片含绿色色素，能进行光合作用制造有机养料
这说明叶片中的色素可能与光能的捕获有关
绿叶中究竟有哪些色素？下面我们通过实验来探究
绿叶中色素的提取和分离
2.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。
1.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，所以可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。
分离原理：
绿叶中的色素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。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。
纸层析法
3.实验材料用具
新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）
无水乙醇（也可用体积分数为95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替）、层析液（由20份在60~90℃下分馏出来的石油醚、两份丙酮和1份苯混合而成）（可用93号汽油代替），二氧化硅（二氧化硅可使研磨更充分），碳酸钙（碳酸钙防止研磨中色素被破坏）。
干燥的定性滤纸，试管，棉塞，试管架，研钵，玻璃漏斗，尼龙布，毛细吸管，剪刀，药匙，量筒(10mL)，天平等。
4.方法步骤
（一）提取绿叶中的色素
绿叶
二氧化硅和碳酸钙
无水乙醇
单层尼龙布
棉塞
思考讨论
一、实验材料
1.实验中能否选择白菜叶片作为实验材料？叶片能否用清水浸泡？
2.为什么用无水乙醇而不用水作提取液？用丙酮可以吗？
（1）不能，应选取新鲜绿色的叶片，绿叶中色素含量较高。
（2）绿叶不要用清水浸泡，会使细胞吸水，使提取液中色素的浓度降低，影响实验效果。
色素是有机物，能溶于有机溶剂（如无水乙醇），但不溶于水。可以用丙酮代替，但丙酮有一定的毒性。
二、实验操作要领
1.研磨时加无水乙醇不应一次加入，应分多次加入的原因是什么？
2.加入二氧化硅和碳酸钙的目的是什么？
3.加入无水乙醇的目的是什么？
4.迅速、充分研磨的目的是什么？
不应一次性加入，为保证提取效果，应分多次加入。
二氧化硅有助于研磨得充分，碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。
溶解（提取）色素。
迅速：防止乙醇挥发和色素的破坏
充分：叶绿体能够被充分被破坏，使得色素能充分被释放出来。
5.为什么用单层尼龙布过滤研磨液，而不用滤纸？
因为滤纸会吸附色素
6.用棉塞将试管口塞紧
防止乙醇挥发和色素氧化
7.为什么过滤？
滤液中含有叶脉和二氧化硅等。
①制备滤纸条
（二）分离绿叶中的色素
1.干燥的过滤纸？
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
画铅笔细线
其透性好，吸收滤液较多同时使层析液在滤纸条上扩散速度快。
2.滤纸条一端剪去两角的目的是什么
防止色素在滤纸条边缘扩散太快，出现弧形带，保证在滤纸上均匀扩散，使分离出的色素带平齐。
②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（也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横线处按压均匀的细线）。待滤液干后，再重画一到两次。
3.滤液细线的划线要求？
细、直、齐。
使分离出的色素带严整不重叠。
4.为什么滤液细线要重复画一到两次？
增加色素浓度，使分离出的色素带明显。
③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。
5.层析时，为什么不能让滤液细线触及层析液？
滤液细线触及层析液会使纸条上的色素会溶解于层析液中，使实验失败。
6.烧杯要盖上培养皿、试管要塞上棉塞
层析液易挥发且有毒。
④观察和记录
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。将实验结果记录下来。
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
滤液中的色素
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）
7.滤纸条上色素带的位置说明什么问题？色素带的宽窄说明什么问题？
滤纸条上色素带的位置说明：4种色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸条上扩散的快慢不同。排序越上面，说明该色素在层析液的溶解度越高，扩散速率越快。
色素带的宽窄说明：色素含量不同。色素带越宽，色素的含量越高。
叶绿体中的色素功能：吸收、传递（四种色素）、转化光能（只有少数特殊状态的叶绿素a）
实验：绿叶中色素的提取和分离
1.若最终得到的色素带颜色浅，不清晰，原因可能有哪些？
2.若最终得到的色素带重叠，不整齐，原因可能有哪些？
3.若最终没得到色素带，原因可能有哪些？
4.滤纸条上只呈现胡萝卜素、叶黄素的色素带的原因？
①滤纸条一端两角剪得不对称；②滤液细线画得不够细、直、齐；
③没经过干燥处理。
①未加无水乙醇；③层析液触及滤液细线
①未加二氧化硅或研磨不充分，色素未充分提取出来；
②一次加入大量的无水乙醇，导致提取液的浓度太低；
③使用放置数天的绿叶或绿叶用量少，滤液中色素含量太少；④未加碳酸钙或加入过少,色素分子被破坏。
⑤画滤液细线时没重复
①未加碳酸钙，导致叶绿素被破坏； ②所用叶片为黄叶。
异常结果分析
不同色素对光的吸收差异
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；波长小于400nm的光是紫外光；波长大于760nm的光是红外光；一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光；
A.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，不吸收红光。
B.叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同。
C.叶绿体中的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收；绿叶中的色素对其他波长的光吸收量很少（尤其是绿光）。
光合色素的吸收光谱分析
滤液中色素对不同的单色光吸收有什么差异？
思考：
影响色素合成的因素
光照
温度
矿质元素
1. 光照
光是叶绿体发育和叶绿素合成必不可少的条件。植物在缺光条件下影响叶绿素形成而使叶子发黄的现象，称为黄化现象
正常韭菜
韭黄
2. 温度
最适温度是20~30℃，最低温度约为2~4℃，最高温度为40℃左右。
温度过高或过低均降低合成速率，加速叶绿素降解。
秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象，都与低温抑制叶绿素形成有关。
4.水（了解）
植物缺水会抑制叶绿素的生物合成，且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时，叶绿素的合成减慢，降解加速，所以干旱时叶片呈黄褐色。
3. 矿质元素：氮、镁：叶绿素的组分；
铁、铜、锰、锌：叶绿素酶促合成的辅因子。
分析：为什么植物春夏叶子翠绿 而深秋则叶片金黄呢？
由于叶绿素的含量大大超过类胡萝卜素，而使类胡罗卜素的颜色被掩盖，只显示出叶绿素的绿色。
低温使叶绿素大量破坏，而使类胡萝卜素的颜色显示出来。
当温度低于7 ℃时，树叶中会生成花青素。
1.温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？
2.叶片呈绿色的原因？秋天叶片变黄的原因？
3.枫叶秋天变红色的原因？
思考讨论
叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射出来；叶片中叶绿素的含量远远大于类胡萝卜素的含量，类胡萝卜素的颜色被叶绿素掩盖了。
寒冷时，叶绿素分子易被破坏，类胡萝卜素较稳定，显示出类胡萝卜素的颜色，叶子变黄。
秋天降温时，植物体为适应寒冷，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶子呈现红色。
选白色或无色透明的塑料薄膜；
大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光。
分布：
主要分布在绿色植物的叶肉细胞
形态：
一般呈扁平的椭球形或球形
功能：
光合作用的场所。
结构：
外膜
内膜
基粒
由两个以上的类囊体堆叠而成，类囊体薄膜上含色素和酶
基质
含有与光合作用有关的酶、少量DNA、RNA，核糖体等
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
1.叶绿体结构
2.叶绿体的功能
（1）恩格尔曼的第一个实验
1881年，德国科学家恩格尔曼用水绵进行有关实验。把水绵和需氧细菌的临时装片放在无空气空间内。在黑暗中用极细光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中。若在光亮条件，则细菌分布在叶绿体所有受光部位。
极细光束
均匀光照
结论：叶绿体光合作用释放氧气，叶绿体是进行光合作用的场所
（2）恩格尔曼的第二个实验
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。
（3）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。
结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光
水绵
黑藻
仔细观察，水绵的叶绿体有什么特殊之处？
0.5 秒延迟符，无
意义，可删除.
（1）为什么选用水绵和好氧细菌作为实验材料？
水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察。
好氧细菌可确定释放O2的部位。
(2)为什么选用黑暗并且没有空气的环境？
选用黑暗并且没有空气的环境，可排除光线和氧的干扰。
(3)恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
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。
(4)恩格尔曼的实验方法有什么巧妙之处？
①选材：a.水绵具有细长的螺旋带状叶绿体，易于观察现象。
b.好氧细菌的利用，准确显示出氧气产生的部位。
②设计：黑暗无空气的设计，排除了氧气和光的干扰。
③极细的光束照射：叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验。
④进行黑暗(局部光照)和曝光对比实验，从而明确实验结果完全是光照引起的。
（5）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？
这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。
（6）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。
3.叶绿体的结构适于进行光合作用
（1）叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着大量光合色素；
（2）类囊体膜上和叶绿体基质中，有许多与光合作用有关的酶；
（3）叶绿体的结构与光合作用高度适应。
色素　 酶
光合作用的原理和应用
（第二课时）
01
光合作用的原理
一、探究光合作用原理的部分实验
资料1：19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。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。
资料2：1937 年，英国植物学家希尔：
化学反应式：
像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应称作希尔反应。
一、探究光合作用原理的部分实验
结论：光合作用释放的氧全部来自水。
同种植物
CO2
H2O
资料3：1941年，鲁宾、卡门实验
同位素标记法
C18O2
H218O
18O2
O2
甲组
乙组
一、探究光合作用原理的部分实验
资料4：1946年开始，美国的卡尔文等用放射性同位素14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C的去向，称为卡尔文循环。
结论：光合产物中有机物的碳来自CO2。
一、探究光合作用原理的部分实验
资料5：1954年，美国科学家阿尔农(D. Arnon)发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
光照
ATP
水
光解
尝试用示意图表示ATP的合成与希尔反应的关系？
一、探究光合作用原理的部分实验
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。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并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与糖的合成不是同一个化学反应？
希尔反应底物是H2O，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。
3. 分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水，而并不来源于CO2。
4. 尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
二、光合作用的概念
CO2+H2O
叶绿体
光能
（CH2O）+O2
光合作用是指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。
根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应，现在也称为碳反应，两个阶段。
三、光合作用的过程
光合作用过程的示意图
C3是指三碳化合物
---3-磷酸甘油酸
C5是指五碳化合物
---核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）
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
光反应
暗反应
NADP+
NADPH
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
酶
类囊体薄膜
叶绿体基质
可见光
1.NADPH和ATP的移动途径是什么？
2.NADP+和ADP的移动途径呢？
3.NADPH的作用？
从类囊体薄膜到叶绿体基质。
从叶绿体基质到类囊体薄膜。
①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量
三、光合作用的过程
光反应与暗反应的比较
反应阶段
反应部位
反应条件
物质变化
能量变化
产 物
联 系
光合作用实质
光反应
暗反应
类囊体薄膜上
叶绿体基质
必须有光、光合色素、酶
有光或无光均可，多种酶
光能→ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能→稳定的化学能
NADPH、ATP、O2
ADP、Pi 、（CH2O ） 、C5、NADP+、
光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+
把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来
笔记
四、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
1、请总结分析的方法？ 2、C3、C5含量变化有什么特点？
四、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
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
02
光合作用的应用
一、影响光合作用的因素
1.概念：植物在 内通过光合作用制造 的量。（通常用光合速率表示）
糖类
单位时间
光合作用的强度
CO2＋H2O （CH2O）＋O 2
光能
叶绿体
2.表示方法
单位时间内光合作用产生有机物的量
单位时间内光合作用消耗CO2的量
单位时间内光合作用放出O2的量
CO2的浓度
CO2＋H2O （CH2O）＋O 2
光能
叶绿体
H2O
光：光照强度、光质、光照时间
矿质元素（N、Mg是合成叶绿素的原料）
外因：
内因：
酶的种类、数量
色素的种类、含量
植物自身因素（遗传特性、叶龄、叶面积指数等）
温度
影响光合作用的因素
光合作用的影响因素
影响光合作用强度的因素
CO2浓度
水分
光
光质
光照强度
光照时间
光照面积
酶
色素
温度
矿质元素
气孔开闭情况
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
实验原理
二、探究环境因素对光合作用的影响
实验目的：探究光照强度对光合作用的影响
自变量：
光照强弱
因变量：
光合作用强度
检测方法
相同时间小圆形叶片浮起的数量
控制方法
不同瓦数的灯或相同瓦数台灯离实验装置的距离
注射器的作用：
实验材料：
圆形小叶片
排出圆形小叶片中的气体
二、探究环境因素对光合作用的影响
笔记
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
2）将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出
二、探究环境因素对光合作用的影响
3）将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存，小圆形叶片全部沉到水底
4）取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
5）分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片，然后分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照(3盏40W台灯分别向3个实验装置照射，光照强弱可通过调节台灯与实验装置间的距离来决定)。
光源会产生热量，导致温度不同，所以为了保证单一变量，应该加一个盛水玻璃柱，排除温度对实验结果的影响。
冷光源
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
甲
乙
丙
叶片浮起数量多
叶片浮起数量中
叶片浮起数量少
强
中
弱
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
项目　 　 烧杯　 　 小圆形叶片 加富含CO2 的清水 光照强度 叶片浮起数量
1 10片 20 mL 强 多
2 10片 20 mL 中 中
3 10片 20 mL 弱 少
6）观察并记录结果
实验结论：
在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
二、探究环境因素对光合作用的影响---光照强度
异养生物(人、动物、真菌、大部分细菌)
营养类型
自养生物
光能自养生物(绿色植物)
化能自养生物
利用环境中现成的有机物来维持生命活动。
利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物）。如硝化细菌。
三、化能合成
硝化细菌
新陈代谢
同化作用
光能自养
6CO2+12H2O
C6H12O6+6O2+6H2O
光能
叶绿体
（光合作用）
化能自养
（化能合成作用）
NH3
HNO2+能量
HNO3+能量
CO2+H2O
（CH2O）
能量
硝化细菌
（硫细菌、铁细菌）
自养型
异养型
寄生、腐生、捕食
谢谢观看