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第五章 细胞的能量供应和利用
第5.4.2节
光合作用的原理和应用
本节目标
01
光合作用的原理
光合作用原理的应用
02
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。
一、光合作用
概念
反应式
CO2+H2O (CH2O)+O2
光能
叶绿体
表示糖类
O2是来自H2O还是来自CO2?
探究光合作用原理的部分实验
十九世纪末
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
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
1937年,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。
离体的叶绿体悬浮液
铁盐
(或其他氧化剂)
O2
希尔反应:离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应。
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
1941年,美国科学家鲁宾和卡门用同位素标记法研究了光合作用中O2的来源,他们用同位素标记法进行两组实验:
O2
18O2
1954年,美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验: 在给叶绿体照光时发现,当向反应体系中供给ADP、Pi等物质时,体系中就会有ATP出现。
1957年,他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
A组:光照+叶绿体提取液+ADP+Pi;
叶绿体中产生ATP
B组:黑暗+叶绿体提取液+ADP+Pi;
叶绿体中不产生ATP
结论
在叶绿体中,有光存在的情况下,ADP与Pi结合生成ATP,即在光下叶绿体内同时进行两个反应
探究光合作用原理的部分实验总结
年代 科学家 结论
十九世纪末 / 甲醛→糖 甲醛对植物有毒
1928年 / 甲醛不能通过光合作用转化成糖
1937年 希尔 水的光解产生氧气
1941年 鲁宾和卡门 利用同位素示踪法确定,光合作用氧气来自于水
1954年 阿尔农 光照下叶绿体合成ATP
1957年 阿尔农 这一过程总是与水的光解相伴
1.将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中,一段时间后植株达到40 g,其增加的质量来自
A.水、矿质元素和空气 B.光、矿质元素和水
C.水、矿质元素和土壤 D.光、矿质元素和空气
√
二、光合作用过程
光反应在白天可以进行吗?夜间呢?
暗反应在白天可以进行吗?夜间呢?
有光才能反应
有光、无光都能反应
光反应(光合作用第一阶段)
暗反应(光合作用第二阶段)又称卡尔文循环
划分依据:反应过程是否需要光能
H2O
类囊体薄膜
酶
ADP+Pi
ATP
光反应阶段(必须有光)
光、色素、酶
类囊体薄膜上
水的光解:
H2O O +2H++2e-
光能
ATP的合成:
ADP+Pi+能量(光能) ATP
酶
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能
场所:
条件:
物质变化
能量变化:
H+
NADPH的合成: 2e-+H++NADP+ NADPH
2e-+NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素
O2
还原剂,提供能量
暗反应阶段
条件
多种酶。暗反应在有光、无光时均能进行
部位
叶绿体基质中
过程
暗反应阶段—卡尔文循环
过程
C5—五碳化合物,RuBP
C3—三碳化合物,3-磷酸甘油酸
CO2的固定CO2+C5 2C3
C3的还原 2C3 (CH2O)+C5
酶
NADPH
ATP、酶
实质
暗反应的实质是同化CO2,将活跃的化学能转化成稳定的化学能,储存在有机物中。
碳的转化途:14CO2→14C3→(14CH2O)
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.叶绿体类囊体的薄膜上进行光反应和暗反应
B.叶绿体类囊体的薄膜上进行暗反应,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
【答案】D
【解析】光反应是在叶绿体类囊体的薄膜上进行的,暗反应是在叶绿体的基质中进行的。
色素分子
可见光
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
光合作用总过程:
NADP+
NADPH
光反应和暗反应是一个整体,二者紧密联系,缺一不可
联系:
光反应阶段为暗反应阶段提供 ,暗反应阶段产生的 为光反应阶段合成ATP提供原料。
光反应和暗反应的比较
光反应 暗反应
区别 所需条件
进行场所
物质变化
能量转化
联系 物质变化上的联系 能量转化上的联系 必须有光
有光或无光均可
类囊体薄膜
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
光能→ATP和NADPH中的化学能→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了ADP、Pi、NADP+
光合作用过程的正确顺序是( )
①二氧化碳的固定 ②氧气的释放 ③叶绿素吸收光能
④水的光解⑤三碳化合物被还原
A.④③②⑤① B.④②③⑤① C. ③②④①⑤ D.③④②①⑤
在暗反应中,固定二氧化碳的物质是( )
A.三碳化合物 B.五碳化合物 C.[H] D.氧气
D
B
讨论:叶绿体处不同条件下,C3、C5、NADPH、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化
条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O)
停止光照 CO2供应不变
光照不变 停止CO2供应
增加
减少
增加
减少
减少
减少
减少
增加
光能
H2O
CO2
还
原
(CH2O)
叶绿体
色素
供氢
酶
供能
多种酶参加催化
2C3
C5
固定
ADP+Pi
ATP
酶
水在光下分解
O2
NADPH
NADP+
如果糖类运不出去,会怎样呢?
光合作用中元素的转移
①H的转移:
H2O → NADPH → (CH2O )
②C的转移:
CO2 → C3 →(CH2O)
③O的转移:
CO2 → C3 →(CH2O)
CO2+H2O*
光能
叶绿体
(CH2O)+O2*
H2O* →O2*
光合作用原理的应用
指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量,又称光合速率。
1)光照
2)温度
3)二氧化碳浓度
4)水分
5)矿质元素
影响光合作用强度的因素:
光合作用的强度:
衡量指标:
1)原料消耗
2)产物生成(有机物或O2)
用一水生植物做如图所示的处理,不影响单位时间内产生气泡数的是( )
A.玻璃容器的容积
B.台灯与玻璃容器的距离
C.溶于水中的CO2的量
D.水生植物的叶片数
【答案】A
【解析】台灯与玻璃容器的距离决定了光照强度,溶于水中的CO2是光合作用的原料,水生植物叶片数目决定了叶绿体数目。
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
光照强度对光合作用强度的影响
(1)A点时,光照强度为0,对应的CO2来源于哪些生理过程?其释放量的含义是什么?
答: A点时,光照强度为0,此时只进行细胞呼吸,其单位时间内释放的CO2量,可表示此时的细胞呼吸速率。
A
光照强度对光合作用强度的影响
(2)B点时,所对应的CO2吸收量和释放量为0,试分析此时光合速率与细胞呼吸速率的关系及B点的含义。
答:B点时,细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用,即光合速率=呼吸速率,此点为光补偿点。
光补偿点
光补偿点:光合作用强度等于呼吸作用强度时的光照强度
B
光照强度对光合作用强度的影响
(3)C点时,CO2吸收量达到最高,请讨论C点的含义并分析CO2吸收量达到最高前、后的主要限制因素分别是什么?
答:当达到C点后,光合作用不再随光照强度的升高而增加,称之为光饱和点。
CO2吸收量达到最高前的主要限制因素是光照强度,CO2吸收量达到最高后的主要限制因素为温度和CO2浓度。
C
光照强度
0
CO2吸收
CO2释放
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
净光合
总光合
(B:光合=呼吸)
(C':光合速率开始达到最大时外界的光照强度)
(限制因素:CO2浓度、温度等)
C'
(B1:阴生植物呼吸作用较弱,对光的利用能力也不强)
(AB:光<呼)
(BC:光>呼)
呼吸
阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低,如图中虚线所示。间作套种农作物,可合理利用光能。
1.适当提高光照强度
2.延长光合作用时间
3.合理密植—
增加光合作用面积
4.间作套种
5.温室大棚
使用无色透明玻璃
6.补光
----红光和蓝紫光
光合作用原理的运用—光照
光照强度、光质不同、日变化
光合作用整套机构对温度比较敏感,温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低,光合速率会减弱。光合作用的最适温度因植物种类而异。
呼吸作用
光合作用
温度
吸收或释放量
CO2
0
温度对光合作用强度的影响
温室栽培中,可适当提高白天温度,适当降低夜间温度,从而提高作物产量(有机物积累量)。
晴朗夏季的某绿色植物光合作用一昼夜中CO2吸收量和释放量变化曲线图。分析各点含义及成因:
光合作用强度=呼吸作用强度
下午6时左右,
光合作用强度=呼吸作用强度
温度低,呼吸作用很弱
b开始进行光合作用
光合作用强度<呼吸作用强度
光合作用强度>呼吸作用强度
光合作用强度<呼吸作用强度
只进行呼吸作用
CO2对光合作用强度的影响
c点:
e点:
a点:
b点:
bc段:
ce段:
ef段:
fg段:
CO2对光合作用强度的影响
晴朗夏季的某绿色植物光合作用一昼夜中CO2吸收量和释放量变化曲线图。分析各点含义及成因:
有机物总量变化:
在c点之前在逐渐减少;
ce段逐渐增加,
e点一天中有机物积累量最多的点;
e点之后有机物总量又逐渐减少。
“光合午休”现象
温度过高,大量气孔关闭,
CO2无法进入叶肉组织,光合作用暗反应受到限制。
d点:
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?
光合作用原理的运用—CO2
矿质元素对光合作用强度的影响
N:光合酶及NADP+和ATP的重要组分
P:NADP+和ATP的重要组分;维持叶绿体正常结构和功能
K:促进光合产物向贮藏器官运输
Mg:叶绿素的重要组分
应用:合理施肥
多因子变量对光合速率的影响
分析多因素对光合作用的影响。
(1)图中的自变量是什么?
(2)只有10 ℃这一条曲线时,自变量是什么?P点之前和之后的限制因素是什么?
(3)Q点时,导致三条曲线不同的自变量是什么?
延长光合作用时间
增加光合作用面积
提高光能利用率
控制光照强弱
控制光质
控制CO2供应
控制必需矿质元素供应
提高复种指数
温室中人工光照
合理密植
间作套种
通风透光
在温室中施农家肥,使用CO2发生器
阴生植物
阳生植物
提高光合速率
——适时适量施肥
3. 提高农作物产量措施
内因:
外因:
基因决定酶种类数量不同
水分—应用:合理灌溉
矿质元素—应用:合理施肥
温度—影响酶的活性应用:适时播种、昼夜温差大“午休”
CO2浓度—升高CO2的浓度:通风、混养、使用农家肥、加干冰……
光质(光的颜色)
光照
光照时间: (应用:延长光照时间:一年两/三熟)
光合面积(叶面指数)(应用:合理密植、间苗、剪枝;适当升高
光强度,间作套种(提高光能的利用率)
不同植物光合作用不同;
不同部位(叶)光合作用不同;
不同叶龄的叶光合作用不同。
影响光合作用因素总结
(应用:大棚种植用红光或
蓝紫光的灯管;无色透明的薄膜)
光合作用的意义
①把无机物合成有机物,不仅是自身的营养物质,而且是人和动物的食物来源.
②将光能转换成化学能,贮存在有机物中,提供了生命活动的能量来源.
③维持了大气成分的基本稳定
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
例如:硝化细菌
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
化能合成作用
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。
光合作用与能量转化
光合作用
光合作用应用
概念
反应式
探究历程
影响因素:光照、温度、二氧化碳、水分、矿质元素
硝化细菌
光合作用原理
过程
光反应:类囊体薄膜
暗反应:叶绿体基质
化能合成作用
CO2 + H2O (CH2O)+O2
光能
叶绿体
知识总结:
课堂精练
判断题
(1)光反应阶段发生在叶绿体内膜和类囊体薄膜上( )
(2)高等绿色植物白天进行光反应,夜晚进行暗反应( )
(3)光反应为暗反应提供NADPH和ATP( )
(4)光合作用产生的O2中的O来自CO2和H2O( )
(5)绿色植物进行光合作用的能量来源于光能( )
×
×
√
×
√
2.下图是光合作用过程图解,请分析后回答下列问题:
①图中A是______,B是_______,它来自于______的分解。
②图中C是_______,它被传递到叶绿体的______部位,用于_________ 。
③图中D是____,在叶绿体中合成D所需的能量来自______
④图中G________,F是__________,J是_____________
⑤图中的H表示_______, I表示________,H为I提供__________
光
H2O
B
A
C
D
E+Pi
F
G
CO2
J
H
I
O2
水
NADPH
基质
用作还原剂且提供部分能量
ATP
光能
光反应
NADPH和ATP
色素
C5化合物
C3化合物
糖类
暗反应
A→G
C
下图为6月份北方某晴天一昼夜玉米植株对CO2吸收、释放量的变化曲线图,据图回答:
(1)白天是指O→K中的哪一段时间_________;其中光合作用最强时刻是 ;有机物积累最多的时刻是在_____。
( 2)E→F出现CO2吸收量下降是由于__________________________________________。
(3)在C→D强光下可观察到大量叶片的气孔关闭现象,所以引起________________。
(4)光合作用强度超过呼吸作用强度的时间段_____。
CO2的吸收量下降
B→F
了光反应的进行 ,影响有机物的合成,使CO2的吸收量下降以至停止.
光照强度较弱影响
F
THANKS