5.4.2 光合作用的原理和应用 (共38张PPT) 2024-2025学年人教版（2019）高中生物学必修1课件

(共38张PPT)
5.4.2 光合作用与能量转化
二、光合作用的原理和应用
O2
CH2O
H2O
CO2
太阳能
类囊体
叶绿体基质
类囊体
色素
酶
温故知新
在叶绿体内部类囊体的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，
在类囊体薄膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
叶绿体是绿色植物进行光合作用的细胞器。
光合作用
绿色植物通过 ，利用 ，将 转
化成 ，并且释放出 的过程。
1.概念：
叶绿体
光能
二氧化碳和水
储存着能量的有机物
氧气
2.反应式：
注：（CH2O）表示糖类，
光合作用产物一部分是淀粉，一部分是蔗糖.(P104)
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能
叶绿体
叶绿体是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？
光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？
探索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。
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
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。
初步判断：
氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。
一、光合作用的原理
资料2：1937年，英国科学家希尔。
希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液
中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。
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。
不能。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。
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？
O2
H+
离体的叶绿体
悬浮液
思考：光合作用生成的O2中的氧元素到底来自H2O还是CO2？如何设计实
验进行探究？
同位素示踪法
能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬
浮液中有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。
讨论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？
资料3：1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)和卡门（M.Kamen)
用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同
位素18O分别标记成H218O和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给植
物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相
同的情况下，第一组释放的氧气都是O2,第二组释放的都是18O2。
CO2
H218O
光照射下的小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
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
讨论3. 分析鲁宾和卡门做的实验得出什么结论？
对比实验
相互对照
资料4：1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，当向反应体系供
给ADP、Pi时，会有ATP产生。同样方法处理四只试管，只有1号有
ATP产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
讨论4.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
H2O O2 + H+ + 能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
思考：从该实验，你能得出什么结论？
ATP的合成场所：类囊体；合成条件：需光（酶）
光合作用的过程
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。光合作用
的过程十分复杂，它包括一系列化学反应，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。
O2
CH2O
H2O
CO2
太阳能
类囊体
叶绿体基质
尝试叙述光合作用的光反应过程
1. 光反应阶段
ATP
ADP+Pi
酶
O2
NADP++H+
H2O
光解
光反应阶段
类囊体薄膜
NADPH
相关信息
水分解为氧和H+的同时，被
叶绿体夺去两个电子。电子
经传递，可用于NADP+与H+
结合形成NADPH。
3）物质变化:
4）能量转化:
2）条 件：
1）场 所：
①水的光解：
③ATP的合成：
②NADPH的合成：
光能→ATP和NADPH中的活跃化学能
叶绿体的类囊体薄膜
光、色素、酶
1. 光反应阶段
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
→
NADP++H++2e-→NADPH
H2O O2+H+
光
→
光反应为暗反应提供
了哪些条件？
资料5： 20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻做了这样的实验：
情境1：向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30秒后检测产物，检测到
了多种带14C标记的化合物，有三碳化合物（C3）、五碳化合物（C5）和
六碳糖(C6)。 （小球藻是一种单细胞的绿藻）
如何确定二氧化碳中的C先转移到
C3、C5和C6中的哪个化合物呢？
缩短反应时间
情境2：反应进行到5秒光照时，卡尔文等检测到同时含有放射性的C5化合
物和C6化合物。缩短工作时间到几分之一秒时，90%以上的放射性14C集中
在一种C3化合物上。
资料5： 卡尔文等用小球藻做了这样的实验：
1、大致描述CO2转化成有机物过程中，C的转移途径。
CO2
C3
(CH2O)
C5
2、CO2与什么物质结合形成C3
实验发现，在光照条件下，突然降低CO2
的浓度，C3和C5含量有如右图变化：
C5
C3
结论：CO2与C5结合形成C3化合物
上述资料表明
光合作用吸收的二氧化碳与C5结合形成C3，C3经过一系列变化，
转化为糖类的同时又形成C5。这些C5又参与C3的形成。这样，C5到C3
再到C5的循环，可以源源不断进行下去。所以暗反应也称为卡尔文
循环（碳循环）。
小结
这一阶段光合作用的相关化学反应，有光无光都能进行，所以这个阶段叫做暗反应阶段。
阿尔农发现，在黑暗条件下，只要供给了ATP和NADPH，叶绿体就能
将CO2转化为糖类，同时ATP和NADPH含量急剧下降。
1、卡尔文循环呈现有机物的形成过程，与前面水的光解产生氧气
过程是否存在一定联系？
2、ATP和NADPH参与生成C5和C6的过程。那光能是经过怎样的转化
储存到糖类中的？
水的光解为卡
尔文循环提供
了ATP和NADPH
光能首先被光合色素吸收，转化成ATP、NADPH中的化学能，
再转移到糖类等有机物中。
资料6：
H2O O2 + H+ + 能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
NADP+ + H+ + e NADPH
完善光合作用的示意图。
2C3
CO2
（CH2O）
多种酶
参加反应
固定
暗反应阶段
叶绿体基质
还原
C5
2、暗反应阶段
3)物质变化:
4)能量转化:
2)条 件：
1)场 所：
叶绿体基质
多种酶、CO2
ATP和NADPH的水解
CO2的固定：CO2+C5→2C3
酶
C3的还原：2C3 C5+(CH2O)
酶
ATP、NADPH
ATP和NADPH中的活跃化学能→有机物中稳定的化学能
2、暗反应阶段
相关信息：C3是指3-磷酸甘油酸；
C5是指核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）
O2
H+
NADPH
NADP+
ADP+Pi
ATP
C3
C5
(1)光合作用的过程填一填
光反应阶段 暗反应阶段（卡尔文循环）
场所
条件
物质变化
能量变化
联系 项目
叶绿体类囊体薄膜上
叶绿体基质
光、色素、酶
有光无光都可，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
过程
色素、酶
2H2O O2 + 4H+
光
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
酶
NADP+ + H+ NADPH
酶
CO2＋C5 2C3
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
(2)思考 讨论---光反应阶段与暗反应阶段的区别和联系
条件
光照减弱
光照增强
CO2浓度减少
CO2浓度增加
C3
C5
ATP
NADPH
增加
减少
减少
增加
减少
增加
增加
减少
减少
增加
增加
减少
减少
增加
增加
减少
(3)光照强度与 CO2浓度改变引起的C3、C5、ATP、NADPH含量变化
牛刀小试：适宜条件下，如果环境中CO2含量突然降至极低水平，叶肉细胞
的C3、C5和ATP含量的变化依次是：
A、上升、下降、上升 B、下降、上升、下降
C、下降、上升、上升 D、上升、下降、下降
C
1、请分析植物突然停止光照后，短时间内其体内的[H]和ATP,C3化合
物和 C5化合物的含量如何变化？
停止光照
光反应停止
2、请分析光下的植物突然停止CO2的供应后，短时间内其体内的[H]
和ATP ，C3化合物和 C5化合物的含量如何变化？
[H] ↓
ATP↓
C3 还原受阻; CO2固定继续
C3 ↑
C5 ↓
CO2 ↓
CO2固定停止；
C3还原继续进行
C3 ↓
C5 ↑
议一议
光合作用强度 的表示方法：
CO2＋H2O （CH2O）＋O 2
光能
叶绿体
？
固定CO2的量
制造或产生有机物（糖类）量
产生O2的量
单位时间内光合作用
二 、光合作用原理的应用
二 、光合作用原理的应用
探究光照强度对光合作用强度的影响
探究 实践
1.实验原理：
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。
叶片含有空气，上浮
抽气
叶片下沉
叶片上浮
光合作用产生O2
O2充满细胞间隙
2.材料用具：
打孔器、5W LED台灯、米尺、烧杯、绿叶等
3.方法步骤：
0.6cm的打孔器打孔
打出圆形小叶片30片
黑暗保存叶片
叶片置于注射器内
抽出叶片的气体
叶片均分为3组
1.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）
向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片
2.分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照
强光
中等光
弱光
3.观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量。
或上浮相同数量的小圆形叶片各实验装置所用时间。
【LED灯作为光源（冷光源，排除温度干扰），分别用不同光照强度（调节
光源与烧杯的距离）去照射叶片。】
方法步骤：
4.实验结果：
5.实验结论：
在一定光照强度范围内，光合作用随着光照强度的增加而增强
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
6CO2+12H2O C6H12O6+ 6O2+6H2O
能量
化能合成作用
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
探究影响光合作用强度的因素
气孔开闭情况
1. 光照强度
呼吸速率
（用CO2增加量;O2减少量;有机物的减
少量表示）
净光合速率（表观光合速率）
用O2释放量;CO2吸收量;有机物积累量;
有机物增加量表示
真正光合速率（实际光合速率）
用CO2固定（消耗）量;O2产生量;有机
物产生（制造）量表示
AC段限制光合速率的因素是光照强度
C点之后限制光合速率的因素是CO2浓度或者酶的活性等
CO2
O2
A点：（黑暗时）
只进行呼吸作用
O2
CO2
AB段：
光合速率<呼吸速率
B点：光补偿点，
光合速率 = 呼吸速率
BC段：
光合速率〉呼吸速率
O2
CO2
1. 光照强度
C点时达到了光饱和点，
受限于CO2浓度等因素
温度过高，为减少蒸腾作用，
气孔关闭，CO2供应不足，
光合速率下降，出现“午休”
现象
时间
光合
作用强度
BC段：
光照强度不断减弱
AB段：
光照强度不断增大
DE段：
【典型曲线分析---拓展应用1】
光照强度、CO2浓度、水等
从图中可以看出，限制光合作用的因素有 。
提出提高光合作用强度的合理措施 。
增加光照强度、合理密植、合理灌溉
1.AD段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是____________________；
2.DH段玻璃罩内CO2浓度下降的原因是____________________；
3.HI段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是_____________________；
4.光合速率等于呼吸速率的点是_________；
5.经过一昼夜的时间，该植物是否生长？____。判断的依据是
______________________________________________________________。
思考
光合速率＜呼吸速率
光合速率＜呼吸速率
光合速率＞呼吸速率
D、H
是
I和A点相比，玻璃罩内CO2浓度减少，减少的CO2转化成有机物积累在植物体内
据曲线作答2：如图是密闭玻璃罩内的植物一天中光合速率的变化曲线图。
光照下CO2的吸收量
黑暗中CO2的释放量
曲线c：净光合速率
曲线d：呼吸速率
E点：
净光合速率等于呼吸速率
总光合速率是净光合速率的2倍
曲线a、b的差值：
净光合作用强度
光合作用强度 = 呼吸作用强度
D点：
净光合作用强度为0
曲线分析3
真正光合速率= 呼吸速率 + 净光合速率
（1）光质对光合作用速率的影响：
白光 >红光 >蓝紫光 >绿光
（2）若图示为阳生植物光合速率图，换为阴生植物后，B点左移，
若缺Mg,则B点右移
（3）应用
①适 当 增 加 光 照 强 度
②不 同 植 物 采 取 不 同 光 照
③套 种 间 作 ，合 理 密 植
④ 轮 作
⑤ 温室大棚使用无色透明玻璃
2. CO2浓度
C点：CO2补偿点（表示光合作用速率等于细胞呼吸速率
时的CO2浓度）；
D点：CO2饱和点（两组都表示在一定范围内CO2浓度达到
该点后，光合作用强度不再随CO2浓度增加而增加）
此时受限于光照强度等
应用：1.多施有机肥或农家肥
2.温室栽培植物时还可使用CO2发生器等.
3.大田中还要注意通风透气.
B点 ：进行光合作用所需CO2的最低浓度
A
B
C
D
0
吸收CO2
释放CO2
CO2浓度
3. 温度
最适温度下植物光合作用最大，植物体内
的酶最适温度在40~50℃之间。
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.温室中,白天适当提高温度,晚上适当降温
3.植物“午休”现象
N：光合酶及ATP的重要组分
P： 类囊体膜和ATP的重要组分；
K：促进光合产物向贮藏器官运输
Mg：叶绿素的重要组分
4. 水分和矿质元素
水是光合作用的原料，缺水既可直接影响光合作用，又会导致叶片
气孔关闭，限制CO2进入叶片，从而间接影响光合作用。
新陈代谢类型
同化类型
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
自养型
异养型
寄生、腐生、捕食