5.4.2 光合作用的原理和应用（教学课件）

(共45张PPT)
第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化 第2课时 光合作用的原理和应用
陕西●安康●LCS
光合作用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。
CO2＋H2O （CH2O）＋ O2
光能
叶绿体
（糖类）
一、光合作用的概念和反应式
1.概念
2.总反应式
1.光合作用一定要叶绿体参与吗？
不一定，蓝细菌也可以进行光合作用。
实验验证
例1：将一株质量为20g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40g，其增加的质量来自于（ ）
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
A
一、光合作用的概念和反应式
思考：
2.光合作用释放的氧气是来自原料中的水还是二氧化碳呢？
二、光合作用的原理
1.希尔实验能否说明水的光解与糖的合成不是一个化学反应？
能说明
资料1：1937年，英国植物学家希尔发现，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O2。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。
1.探索光合作用原理的部分实验及实验结果分析
二、光合作用的原理
资料1：1937年，英国植物学家希尔发现，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O2。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。
2.希尔实验说明水的光解产生氧气，能否确定氧气中的氧元素全部来自水？
不能，实验没有排除其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移。
1.探索光合作用原理的部分实验及实验结果分析
二、光合作用的原理
资料1：1937年，英国植物学家希尔发现，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O2。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。
3.若要证明氧气全部来自水或二氧化碳，可采用什么方法？
采用同位素标记法，可用18O分别标记H2O和CO2中的氧元素进行实验。
1.探索光合作用原理的部分实验及实验结果分析
二、光合作用的原理
1.甲组和乙组实验形成一组什么实验？
对比实验
资料2：1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O2的来源，他们用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2，然后进行了两组实验：
甲组
乙组
18O
H218O
C18O2
C18O2
H2O
O2
H218O
CO2
18O2
1.探索光合作用原理的部分实验及实验结果分析
二、光合作用的原理
2.本实验可得出什么结论？
光合作用释放的氧全部来自水，不来源于CO2
资料2：1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O2的来源，他们用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2，然后进行了两组实验：
甲组
乙组
18O
H218O
C18O2
C18O2
H2O
O2
H218O
CO2
18O2
1.探索光合作用原理的部分实验及实验结果分析
二、光合作用的原理
1.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
资料3：1954年，美国科学家阿尔农等用游离的叶绿体做实验。在给叶绿体光照时发现，当向反应体系供给ADP、Pi时，体系中就会有ATP的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
H2O O2
光照
叶绿体
ADP+Pi+能量 ATP
1.探索光合作用原理的部分实验及实验结果分析
二、光合作用的原理
2.上述三个实验共同表明了什么？
资料3：1954年，美国科学家阿尔农等用游离的叶绿体做实验。在给叶绿体光照时发现，当向反应体系供给ADP、Pi时，体系中就会有ATP的产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
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。　
1.探索光合作用原理的部分实验及实验结果分析
二、光合作用的原理
1.请用符号和箭头表示碳的转移途径。
资料4：20世纪40年代，美国的卡尔文用小球藻进行实验,将其装在一个透明的密闭容器中,他向密闭容器中通入14CO2,一开始，14C出现在一种三碳化合物(C3)中，接着,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,经9年左右的时间,他终于弄清了光合作用中的碳循环途径。
1.探索光合作用原理的部分实验及实验结果分析
例2：下列关于探究光合作用原理实验的叙述,错误的是(　　)
A.恩格尔曼利用水绵和好氧细菌为材料,证明光合作用的场所是叶绿体
B.希尔证明离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解,产生氧气
C.鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2,证明光合作用产生的氧来自水
D.阿尔农发现水的光解过程产生ATP
思考：
D
例3：下图为探究光合作用中氧气来源的实验示意图,图中A物质和B物质的相对分子质量之比是(　　)
A. 1∶2　 B. 2∶1
C. 8∶9 D. 9∶8
C
二、光合作用的原理
根据是否需要光能，光合作用分为光反应和暗反应（碳反应）两个阶段。
光反应阶段必须有光才能进行， 在类囊体的薄膜上进行；
暗反应阶段不直接依赖光， 在叶绿体的基质中进行。
二、光合作用的原理
2.光合作用的过程
根据是否需要光能，光合作用分为光反应和暗反应（碳反应）两个阶段。
二、光合作用的原理
2.光合作用的过程
根据是否需要光能，光合作用分为光反应和暗反应（碳反应）两个阶段。
二、光合作用的原理
2.光合作用的过程
B
A
C
E
F
NADPH
ATP
光合色素
D
G
H
C5
C3
ADP+Pi
NADP+
O2
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
H+、e-
释放能量
条件：
光、
光合色素、
酶
场所：
物质变化：
水的光解：
ATP的合成：
叶绿体类囊体薄膜上
光能
能量转变：
NADPH、ATP中活跃的化学能
产物：
O2、NADPH、ATP
H2O H++O2+电子（e-）
光
ADP＋Pi +光能 ATP
酶
NADPH的合成：
NADP++H++电子（e-）→ NADPH
酶
二、光合作用的原理
2.光合作用的过程
① 光反应阶段
2C3
C5
NADPH
ADP + Pi
（CH2O）
ATP
酶
CO2
还原
固定
卡尔文循环
酶
NADP+
二、光合作用的原理
2.光合作用的过程
② 暗反应阶段
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
ATP
ADP+Pi
叶绿体的基质中
2C3 (CH2O)+C5
酶
NADPH 、ATP、酶
场所：
条件：
物质变化
能量变化:
NADP+
NADPH
ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
二、光合作用的原理
2.光合作用的过程
② 暗反应阶段
过程 光反应 暗反应
场所
条件 、 和酶 多种酶
原料 、NADP+、ADP、Pi NADPH、ATP、 ；
产物 、ADP、Pi、NADP+
物质 变化 ① : ② :ADP+Pi ATP ① : CO2+C5 2C3
② : 2C3 (CH2O)+C5
能量 转化 光能 ATP和NADPH中
活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能
(CH2O)中稳定的化学能
类囊体薄膜
叶绿体基质
光
色素
H2O
CO2
NADPH、ATP、O2
(CH2O)
水的光解
ATP的合成
CO2的固定
C3的还原
二、光合作用的原理
总结提升1：列表比较光反应与暗反应
1.NADPH和ATP的移动途径：
NADP+和ADP的移动途径：
从类囊体薄膜转移到叶绿体基质;
二、光合作用的原理
总结提升2：易错知识点
从叶绿体基质转移到类囊体薄膜。
2.光反应产生的ATP和NADPH的作用
二、光合作用的原理
总结提升2：易错知识点
ATP：一般用于暗反应和叶绿体的生命活动
NADPH：①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量
3.各元素的去向：
二、光合作用的原理
总结提升2：易错知识点
① H 的转移：
H2O → NADPH→ (CH2O )
② C 的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
③ O 的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
H2O → O2
4.暗反应被阻断，植物将不能独立进行光反应。
二、光合作用的原理
总结提升2：易错知识点
光反应为暗反应提供NADPH和ATP；暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+。
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
影响
因素
请根据光合作用反应式，从内、外因分析影响光合作用的因素有哪些？
CO2
H2O
O2
四、影响光合作用的因素及其应用
实验原理
实验目的
材料用具
方法步骤
分析结果
得出结论
探究光照强度对光合作用强度的影响
叶片含有空气，上浮
叶片下沉
O2充满细胞间隙，叶片上浮
抽气
光合作用
产生O2
自变量：
光照强度
因变量：
光合作用强度
单位时间内小圆形叶片浮起的数量。
利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度。
如何控制？
如何检测？
①叶片大小和数量
数量相等、生长状况和大小相同
②NaHCO3溶液
无变量：
等量、相同浓度、提供CO2
NaHCO3→Na2CO3+H2O+CO2
1.探究环境因素对光合作用强度的影响
实验原理
实验目的
材料用具
方法步骤
分析结果
得出结论
1.探究环境因素对光合作用强度的影响
实验原理
实验目的
材料用具
方法步骤
分析结果
得出结论
①取材
②排气
③分组
④光照
1.探究环境因素对光合作用强度的影响
实验原理
实验目的
材料用具
方法步骤
分析结果
得出结论
不同光照强度处理下叶片漂起的数量
在一定光照强度范围内，光合作用强度随着光照强度的增加而增强。
强（10cm) 中(20cm) 弱(30cm)
10分钟上浮叶片数 10 4 0
强（10cm) 中(20cm) 弱(30cm)
全部上浮所需要的时间 10min 21min 40min
1.探究环境因素对光合作用强度的影响
如何探究CO2浓度对光合作用的影响
数量相同的叶圆片置于烧杯底部等距离（10cm）置于40W 的光源下
1
蒸馏水
2
2%
NaHCO3溶液
3
10%
NaHCO3溶液
如何探究温度对光合作用的影响
1
低温
2% NaHCO3溶液
2
常温
2% NaHCO3溶液
3
高温
2% NaHCO3溶液
水浴控制温度数量相同的叶圆片置于烧杯底部等距离（10cm）置于40W 的光源下
思考讨论：
1.探究环境因素对光合作用强度的影响
问题1：实验前需要将处理过的圆形小叶片放在黑暗环境中，请在下图绘出黑暗条件下CO2和O2的产生及消耗情况。并说出黑暗条件下可用哪些指标表示呼吸速率？
CO2
O2
只进行呼吸作用：
呼吸速率的表示方法：
黑暗条件下O2的吸收量
黑暗条件下CO2的释放量
有机物消耗量
1.探究环境因素对光合作用强度的影响
问题2：在10min时，弱光光强度下，叶片仍然没有上浮，此时是叶片没有产生O2吗？如果不是，请在下图绘出在这种光照下CO2和O2的产生及消耗情况。
O2
O2
呼吸速率＞光合速率
CO2
CO2
O2
CO2
呼吸速率=光合速率
弱光照射
中等光强照射
强（10cm) 中(20cm) 弱(30cm)
10分钟上浮叶片数 10 4 0
1.探究环境因素对光合作用强度的影响
O2
CO2
O2
CO2
（可以测得）
（可以测得）
真/总光合速率
（实际光合速率）
呼吸速率
净光合速率
（表观光合速率）
+
=
有机物：
产生量
消耗量
积累量
=
+
CO2：
固定量
产生量
吸收量
=
+
02：
产生量
消耗量
释放量
=
+
（空气中CO2的减少量）
（空气中02的增加量）
问题3：根据以上分析绘出在较强光条件下CO2和02的产生及消耗情况。
光合速率＞呼吸速率
思考：课本P105右下角）植物在进行光合作用的同时，还会进行呼吸作用。我们观测到的光合作用指标，如O2的释放量，是植物光合作用实际产生的总O2量吗？
不是。该指标是光合作用实际产生O2量与细胞呼吸消耗O2量的差值。
光合作用强度：指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
1.探究环境因素对光合作用强度的影响
①A点:光照强度为0,此时只进行_________,CO2释放量表示此时的_____________。
②AB段:光照强度增大,光合作用强度逐渐_____,CO2的释放量逐渐减少(有一部分用于 ),此时细胞呼吸强度____光合作用强度。
③B点:______点,此时细胞呼吸释放的CO2全用于光合作用。
④BC 段:随着光照强度不断增大,光合作用强度不断____,在C点时_________,C点对应的光照强度称为________， 此时主要的环境限制因素是 。
细胞呼吸
细胞呼吸强度
增强
大于
光补偿
增强
达到最大
光饱和点
光补偿点
光饱和点
⑤光照强度影响光合作用的原理：影响 ，制约 、
的产生，进而制约暗反应。
光反应
ATP
NADPH
光合作用
CO2浓度
呼吸强度
净光合强度
真光合强度
限制因素：CO2浓度、色素、酶等
当植物接受的光照处于光补偿点时:①植株：光合 （填大于、小于或等于）呼吸
②叶肉细胞：光合 （填大于、小于或等于）呼吸
等于
大于
四、影响光合作用的因素及其应用
1.光照强度
间作(几种作物同时期播种)、套种(几种作物不同时期播种)
应用：
1.增加光照强度、延长光照时间
2.增加光合作用面积，如合理密植，间作套种
3.大棚种植时，要对玻璃进行选择，选择无色透光玻璃；补充光源选择红光或蓝紫光
1.光照强度
四、影响光合作用的因素及其应用
【例3】某绿色植物的CO2吸收量随光照强度的变化如下图所示。下列叙述正确的是(　　)
A.曲线AB 段表示绿色植物没有进行光合作用
B.曲线BC 段表示绿色植物细胞呼吸不断增强
C.B点时植物光合作用强度等于细胞呼吸强度
D.A点代表黑暗条件下,绿色植物无氧呼吸强度
C
有
有
光合作用
1. 2. 3. 4.
将下图与上图中的区段对应
AB 段
A点
B点
BD段
四、影响光合作用的因素及其应用
②原理：影响 阶段，制约 的生成。
③限制B点的主要外界因素是 、内因是 ；
①图中所示的光合速率为____ 光合速率;A点为_________,此时________速率等于_______速率。
净
CO2补偿点
光合作用
细胞呼吸
光照强度
暗反应
C3
酶的数量和活性、C5含量
CO2补偿点
CO2饱和点
④种植蔬果时如何增加CO2浓度？
a.栽种农作物要 ；
b.温室可放 ，施用 ，与
相通。
c.大田生产“正其行，通其风”
通风并多施有机肥或农家肥
CO2生成器
农家肥
猪舍、鸡舍
四、影响光合作用的因素及其应用
2.CO2浓度
图3
对应图2的A′
对应图1的A
对应图1的B，图2的B′
四、影响光合作用的因素及其应用
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（表示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）。
B点： 进行光作用所需CO2的最低浓度
图2
图1
①原理：光合作用是在酶的催化下进行的，温度直接影响 。
③应用：温室适当增加 ，栽培时白天适当 ，夜间适当 ，以保证有机物的积累。
②AB 段:随温度的升高,光合作用强度逐渐　　 。BC 段:与光合作用有关的酶活性　　　,光合作用强度　　　。
酶的活性
升温
降温
昼夜温差
增强
下降
减弱
新疆哈密瓜以“甜”著称
3. 温度
四、影响光合作用的因素及其应用
①原理：矿质元素是参与光合作用的_______、_____、______、_________、等物质的组成元素。如果缺乏,会影响光合作用强度。
②应用： 。
③给植物施肥过多会有什么后果：
酶
ATP
色素
NADPH
合理施肥
导致土壤溶液的浓度过高，植物会因渗透失水而使光合作用强度下降。
四、影响光合作用的因素及其应用
4.矿质元素
① 原理：水是光合作用的原料，水是体内各种化学反应的介质；水直接影响 ，间接影响 。
② 应用： 。
四、影响光合作用的因素及其应用
5.水
气孔的开闭
CO2进入植物体内
预防干旱，合理灌溉
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+6H2O 2C6H12O6+ 6O2
能量
讨论：进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？
异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。
三、化能合成作用
光合作用和化能合成作用的异同处：
相同处：
不同处：
都是将无机物转化成有机物，并储存能量
能量来源不同
光合作用：
化能合成作用：
光能
无机物氧化时释放的化学能
光能自养生物：绿色植物、蓝藻、光合细菌等
化能自养生物：硝化细菌、铁细菌、硫细菌
自养生物
异养生物：人、动物、真菌及大多数的细菌
同化作用
异化作用
需氧型：人、动物、醋酸菌等
厌氧型：破伤风芽孢杆菌、乳酸菌、蛔虫等
兼性厌氧型：酵母菌
代
谢
类
型
三、化能合成作用
光合作用与能量转化
光合
作用
H2O + NADP+
光
酶
NADPH
+
O2
物质
ADP + Pi
+
光能
酶
ATP
能量：
光能
ATP、NADPH中活跃化学能
条件：光 酶 色素 水 ADP Pi NADP+
场所：类囊体的薄膜上
暗反应
阶段
光反应阶段
ATP NADPH 需多种酶 CO2 C5
场所：
叶绿体基质
条件：
C3的还原：
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
物质
能量：
ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能
化能合成作用:
硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。
小结
×
√
D
×
教材P106 练习与应用
1.下图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答问题。
(1)7—10时的光合作用强度不断增强的0原因是
_________________________________。
(2)10—12时左右的光合作用强度明显减弱的
原因是_________________________________。
_______________________________________。
____________。
光照强度逐渐增大
此时温度很高，导致气孔大量关闭，
CO2无法进入叶片组织，致使光合作用暗反应受到限制。
(3)14-17时的光合作用强度不断下降的原因是_________________________。
(4)从图中可以看出，限制光合作用的因素有__________________________。
(5)依据本题提供的信息，提出提高绿色植物光合作用强度的一些措施。
光照强度不断减弱
光照强度、温度
教材P106 练习与应用