光合作用的原理和應用課件

第4節(jié)光合作用與能量轉換(二)光合作用的原理和應用第5章細胞的能量供應和利用四、光合作用的原理(1)概念:(2)過程:指綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。CO2+H2O（CH2O)+O2

光能葉綠體

葉綠體是如何將光能轉化為化學能？

又是如何將化學能儲存在糖類等有機物中的？光合作用釋放的氧氣，是來自原料中的水還是二氧化碳呢？?資料1：19世紀末，科學界普遍認為，在光合作用中，CO2分子的C和O被分開，O2被釋放，C與H2O結合成甲醛，然后甲醛分子縮合成糖。CO2O2C+H2O甲醛(CH2O)1928年，科學家發(fā)現(xiàn)甲醛對植物有毒害作用，而且甲醛不能通過光合作用轉化成糖。得出初步結論：氧來自二氧化碳的可能性較小，較可能來源于水。1.光合作用的探究歷程四、光合作用的原理資料2：1937年，英國科學家希爾發(fā)現(xiàn)，在離體葉綠體的懸浮液中加入鐵鹽或其他氧化劑（懸浮液中有H2O，沒有CO2），在光照下可以釋放出氧氣。O2H+離體葉綠體在適當條件下發(fā)生水的光解，產生氧氣的化學反應稱作希爾反應。討論1：希爾的實驗說明水的光解產生氧氣，是否能說明植物光合作用產生的氧氣中的氧元素全部都來自水？為什么？不能。沒有排除葉綠體中其他物質的干擾，也并沒有直接觀察到氧元素的轉移。討論2：希爾的實驗是否說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應？能夠說明。希爾反應是將離體葉綠體置于懸浮液中完成的，懸浮液中有H2O，沒有合成糖的另一種必需原料CO2，因此，該實驗說明水的光解并非必須與糖的合成相關聯(lián)，暗示著希爾反應是相對獨立的反應階段。1.光合作用的探究歷程四、光合作用的原理

希爾的實驗中沒有直接觀察到氧元素的轉移，那么，如何觀察元素的轉移？我們有沒有學過什么科學方法可以做到這一點呢？同位素示蹤法（即同位素標記法）現(xiàn)在我們要研究的是氧原子在光合作用過程中的轉移過程，應該用什么同位素來標記什么物質？如何設置對照？一組用18O標記二氧化碳，水不做標記；另一組用18O標記水，二氧化碳不做標記。1.光合作用的探究歷程四、光合作用的原理資料3：1941年，美國科學家魯賓（S.Ruben)和卡門（M.Kamen)用同位素示蹤的方法，研究了光合作用中氧氣的來源。對比實驗相互對照結論：光合作用釋放的氧氣中的O全部來源于水。18O2O21.光合作用的探究歷程四、光合作用的原理資料4：美國科學家阿爾農（D.Arnon)在1954年發(fā)現(xiàn)，在光照下，葉綠體可合成ATP。1957年發(fā)現(xiàn)，這一過程總是與水的光解相伴隨。綜合以上幾個實驗，可以得出以下結論：1.光合作用釋放的氧氣中的氧元素來自水；2.氧氣的產生和糖類的合成不是同一個化學反應，而是分階段進行的；3.葉綠體中ATP的合成總是伴隨著水的光解。由于該過程需要光能，必須有光才能進行，故被稱為“光反應階段”。該過程在類囊體的薄膜上進行。嘗試用示意圖來表示ATP的合成與希爾反應的關系1.光合作用的探究歷程四、光合作用的原理光、色素、酶葉綠體內的類囊體薄膜上水的光解：H2OO2+H+光能ATP的合成：ADP＋Pi＋能量（光能）ATP酶

光能

ATP和NADPH中活躍的化學能場所：條件：物質變化能量變化NADPH的合成：H++NADP++2e

NADPH四、光合作用的原理酶NADPH:還原性輔酶II（光合）；NADH:還原性輔酶I（呼吸）通過以上幾個實驗，光合作用過程中氧元素的轉移已經被探究清楚了，那么碳元素的轉移呢？1946年開始，美國的卡爾文等用14CO2研究了CO2轉化為糖的途徑：向反應體系中充入一定量的14CO2,給予光照，讓小球藻進行光合作用，然后追蹤放射性14C的去向。（1）光照時間為幾分之一秒時發(fā)現(xiàn)，90%的放射性出現(xiàn)在一種三碳化合物（C3）中；（2）在5秒鐘光照后，卡爾文等檢測到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)；（3）30秒后檢測產物，檢測到了多種帶14C標記的化合物?？栁乃摹⒐夂献饔玫脑韴鏊簵l件：葉綠體基質酶、NADPH、ATP、二氧化碳物質變化CO2的固定：C3的還原：C5的再生：被還原的C3→C5C5+CO2→2C3能量變化ATP、NADPH中活躍的化學能→有機物中穩(wěn)定的化學能NADPHNADP+ATPADP+Pi被還原的C3C3糖注意：C3是指3-磷酸甘油酸；C5是指RuBP四、光合作用的原理NADPH的作用？嘗試畫出光合作用過程圖解（識記反應過程）四、光合作用的原理光能→ATP、NADPH中活躍的化學能→有機物中穩(wěn)定的化學能葉綠體中的色素H2ONADPHATPADP+Pi水的光解O22C3C5糖類等有機物多種酶參加催化CO2還原固定C5的再生NADP+H++固定物質變化能量變化葉綠體處不同條件下，C3、C5、NADPH、ATP以及(CH2O)合成量的動態(tài)變化?條件C3C5NADPH和ATP(CH2O)停止光照CO2供應不變光照不變停止CO2供應

增加減少增加減少減少減少減少增加色素分子可見光C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多種酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定還原NADP+NADPHATP、ADP分別從哪里轉移到哪里？ATP從類囊體薄膜轉移葉綠體基質，ADP從葉綠體基質轉移到類囊體薄膜四、光合作用的原理

光反應階段暗反應階段條件場所物質變化能量變化

聯(lián)系光、色素、酶不需光、酶、NADPH、ATP葉綠體類囊體薄膜葉綠體基質中水的光解；ATP、NADPH的生成CO2的固定；C3的還原光能→ATP和NADPH活躍化學能活躍化學能→有機物中穩(wěn)定化學能光反應是暗反應的基礎，為暗反應提供NADPH和ATP，暗反應為光反應提供ADP和Pi、NADP+

。光反應與暗反應的比較四、光合作用的原理光合作用的表達式：元素轉移：

O元素：H2O→O2C元素：CO2→C3→(CH2O)和C5意義：①把無機物合成為有機物，生物界中有機物的來源；②將光能轉換成化學能，為生命世界的生命活動提供了能量來源；③維持大氣中氧氣和二氧化碳的平衡④對生物的進化具有重要作用四、光合作用的原理五、化能合成作用利用體外環(huán)境中的某些無機物氧化時所釋放的能量來制造有機物的合成作用。例如：硝化細菌、硫細菌、鐵細菌等少數(shù)種類的細菌2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量硝化細菌2HNO2+O22HNO3+能量硝化細菌6CO2+6H2OC6H12O6+6O2能量光能自養(yǎng)生物（如綠色植物、藍細菌）化能自養(yǎng)生物（硝化細菌、鐵細菌等）

異養(yǎng)生物：只能利用環(huán)境中現(xiàn)成的有機物來維持自身的生命活動。如人、動物、真菌及大多數(shù)的細菌。A.希爾反應能說明植物光合作用中水的光解和糖類的合成不是同一個化學反應B.卡爾文根據(jù)實驗結果推測出CO2中C的轉移途徑為CO2→C3→(CH2O)→C5C.魯賓和卡門用同位素示蹤的方法發(fā)現(xiàn)了光合作用中氧氣來自水D.阿爾農發(fā)現(xiàn)在光照下,葉綠體可合成ATP,并發(fā)現(xiàn)該過程總與水的光解相伴2.下列敘述不正確的是()A.有氧呼吸過程中產生的[H]與氧氣結合生成水分子，釋放大量的能量B.線粒體的內膜和基質中都能生成[H]C.光合作用光反應階段產生NADPH是在葉綠體的類囊體薄膜上完成的D.光合作用光反應產生的NADPH參與了暗反應中C3的還原B習題檢測1.光合作用的科學研究經歷了漫長的探索過程,眾多科學家作出了重要貢獻。下列說法錯誤的是B3.1937年，英國植物學家希爾(R.Hill)發(fā)現(xiàn)，將離體的葉綠體加入具有氫受體(如NADP＋)的水溶液中，在無CO2的條件下給予光照，發(fā)現(xiàn)葉綠體有氧氣放出，生成NADPH(還原型輔酶Ⅱ)。像這樣，離體葉綠體在適當條件下發(fā)生水的光解，產生氧氣的化學反應稱作希爾反應。下列相關分析錯誤的是A.希爾的實驗說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應B.在此過程中，H2O分解產生O2的同時，還生成了NADPHC.光合作用中O2的釋放和CO2的利用，是可以暫時分離的D.光合作用整個過程都直接需要光照D習題檢測4.如圖為葉綠體中光合作用過程示意圖，其中A、B、C、D表示葉綠體的結構，①②③④⑤表示有關物質。下列說法錯誤的是（）A.圖中A的存在可以增加葉綠體內的膜面積B.與光合作用有關的酶主要分布在A、C、D上C.光合作用過程中ADP和Pi從B向A處移動D.若突然停止光照，短時間內④的含量會增加B習題檢測CO2濃度水分光光質光照強度光照時間光照面積酶色素溫度礦質元素氣孔開閉情況光合作用的強度：指植物在單位時間內通過光合作用制造糖類的數(shù)量。影響因素六、影響光合作用強度的因素及其應用產生O2的量利用CO2的量思考：能否測量出光合作用強度？線粒體葉綠體O2釋放O2（可測）葉肉細胞CO2吸收CO2吸收O2（可測）釋放CO2（可測）（可測）植物在單位時間內吸收CO2的量或者釋放O2的量或者積累有機物的量稱為凈光合作用強度?？偣夂献饔脧姸?凈光合作用強度+呼吸作用強度六、影響光合作用強度的因素及其應用光合作用與呼吸作用的關系CO2O2CO2O2O2CO2CO2O2CO2O2光合<呼吸光合=呼吸光合>呼吸六、影響光合作用強度的因素及其應用總光合、凈光合、呼吸的其他表示提示：CO2、O2、有機物總光合CO2的消耗/需求/固定/同化量O2的產生/生成量有機物的產生/制造量凈光合CO2的吸收量O2的釋放量有機物的積累/剩余量呼吸黑暗下CO2的釋放量O2的消耗/利用量(黑暗下O2的吸收量)有機物的消耗量六、影響光合作用強度的因素及其應用實驗原理

葉片含有空氣上浮抽氣葉片下沉葉片上浮光合作用產生O2O2充滿細胞間隙自變量光照強弱因變量光合作用強度相同時間小圓形葉片浮起的數(shù)量用5W的LED燈作為光源，利用小燒杯與光源的距離來調節(jié)光照強度控制方法：檢測方法：①實驗葉片：同種、生長狀況相同、小圓形葉片大小相同、等量…②NaHCO3溶液：無變量等量,相同濃度數(shù)量時間六、影響光合作用強度的因素及其應用1.探究.實踐實驗材料六、影響光合作用強度的因素及其應用方法步驟0.6cm的打孔器打孔打出圓形小葉片30片黑暗保存葉片葉片置于注射器內抽出葉片的氣體葉片均分為3組六、影響光合作用強度的因素及其應用1.探究.實踐方法步驟1.取3只小燒杯，分別倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液），向3只小燒杯中各放入10片小圓形葉片；2.分別對這3個實驗裝置進行強、中、弱三種光照。強光中等光弱光注：LED燈作為光源（冷光源，排除溫度干擾），分別用不同光照強度（調節(jié)光源與燒杯的距離）去照射葉片。葉片均分為3組六、影響光合作用強度的因素及其應用1.探究.實踐方法步驟3.觀察并記錄同一時間段內各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數(shù)量。（或上浮相同數(shù)量的小圓形葉片各實驗裝置所用時間。）實驗結果實驗結論在一定光照強度范圍內，光合作用隨著光照強度的增加而增強。六、影響光合作用強度的因素及其應用1.探究.實踐在各燒杯中加入不同濃度的NaHCO3溶液，可以用于探究CO2濃度對光合速率的影響。NaHCO3溶液濃度太高，使葉片滲透失水，不利于光合作用。吸收光的熱量，避免溫度的變化對實驗結果造成干擾盛水玻璃柱作用：六、影響光合作用強度的因素及其應用1.探究.實踐CO2濃度六、影響光合作用強度的因素及其應用內部因素1：葉齡

在一定范圍內，隨幼葉的不斷生長，葉面積不斷增大，葉綠體不斷增多，葉綠素含量不斷增加，光合作用強度不斷增加農作物、果樹管理后期適當摘除老葉、殘葉保證植物及時換新葉，同時可降低其呼吸作用消耗有機物六、影響光合作用強度的因素及其應用內部因素2：葉面積指數(shù)物質量葉面積指數(shù)單位土地面積上，植物的總葉面積

在一定的范圍內，隨葉面積不斷增大，光合作用強度不斷增加，超過一定范圍后，光合作用強度不再增加。當葉面積增加到一定限度后，呼吸作用加強，凈光合產量反而下降?？偣夂狭績艄夂狭緼BC呼吸量適當修苗，合理施肥、澆水，避免枝葉徒長，封行過早。溫室栽培植物時，可通過合理密植來增加光合作用面積六、影響光合作用強度的因素及其應用光照強度0CO2吸收CO2釋放ABC呼吸速率光補償點光飽和點凈光合總光合B：光合作用=呼吸作用D：光合速率開始達到最大時外界的光照強度（限制因素：CO2濃度、溫度等）DAB：光合作用<呼吸作用BC：光合作用>呼吸作用呼吸A：只進行呼吸作用C點之前限制光合作用的因素是光照強度應用：1.間作(幾種作物同時期播種)套種(幾種作物不同時期播種)2.合理密植,增加光合作用面積

3.溫室大棚,使用無色透明玻璃六、影響光合作用強度的因素及其應用外因：①光照強度A’B’光照強度OC’ABC陰生植物陽生植物CO2吸收量CO2釋放量陽生植物：在強光環(huán)境中生長發(fā)育健壯，在陰蔽或弱光條件下生長發(fā)育不良的植物。陰生植物：在較弱的光照條件下能夠生長良好的植物叫陰生植物。陽生植物的光補償點和光飽和點都比陰生植物大六、影響光合作用強度的因素及其應用①光照強度（時間、光質）CO2濃度AB吸收速率CO2C釋放速率CO2DA點：對應的CO2濃度為能進行光合作用的最低CO2濃度。CO2補償點光合作用速率＝呼吸作用速率對應的D點為CO2飽和點C點之后光合速率的限制因素：主要為光照強度和溫度。B點：C點：應用：1.多施有機肥或農家肥；2.溫室栽培植物時還可使用CO2發(fā)生器等；3.大田中還要注意通風透氣。六、影響光合作用強度的因素及其應用外因：②CO2濃度原理1：溫度通過影響

影響光合作用。曲線分析:酶的活性六、影響光合作用強度的因素及其應用原理2:影響氣孔開閉應用：1.適時播種2.溫室中,白天適當提高溫度,晚上適當降溫3.植物“午休”現(xiàn)象4.連續(xù)陰雨天：白天和晚上均降溫外因：③溫度④礦質元素：六、影響光合作用強度的因素及其應用⑤水:N：光合酶及NADP+和ATP的重要組分P：NADP+和ATP的重要組分K：促進光合產物向貯藏器官運輸Mg：葉綠素的重要組分1.光合作用的原料2.體內各種化學反應的介質3.直接影響氣孔的開閉,間接影響CO2進入應用：合理施肥應用：預防干旱合理灌溉外因：礦質元素和水問：溫度不同或者CO2濃度不同，總光合速率曲線會如何變化？P點前，制約因素是什么？Q點時，制約因素是什么？應用：溫室栽培時，在一定光照強度下，白天適當提高溫度，增加光合作用所需酶的活性，提高光合速率，也可同時適當增加CO2濃度，進一步提高光合速率；當溫度適宜時，可適當增加光照強度和CO2濃度以提高光合速率。六、影響光合作用強度的因素及其應用內因：外因：基因決定酶種類數(shù)量不同水分—應用：合理灌溉礦質元素—應用：合理施肥溫度—影響酶的活性應用：適時播種、晝夜溫差大“午休”CO2濃度—升高CO2的濃度：通風、混養(yǎng)、使用農家肥、加干冰……光質（光的顏色）光照

光照時間：

（應用：延長光照時間：一年兩/三熟）光合面積（葉面指數(shù)）（應用：合理密植、間苗、剪枝；適當升高

光強度，間作套種（提高光能的利用率）不同植物光合作用不同；不同部位（葉）光合作用不同；不同葉齡的葉光合作用不同。（應用：大棚種植用紅光或藍紫光的燈管；無色透明的薄膜）六、影響光合作用強度的因素及其應用小結盛夏一天24小時中，植物吸收和釋放CO2量的變化AC：B點：C點：CD段：黑暗，僅有細胞呼吸，無光合作用光合作用開始點光合速率逐漸增大，但<呼吸速率凌晨溫度最低，細胞呼吸最弱BC：溫度回升，呼吸作用增強D點：DE：F點：光合速率=呼吸速率隨著光強和溫度的提高，光合速率逐漸增大,此時光合速率>呼吸速率光合午休：氣溫過高，蒸騰作用旺盛，部分氣孔關閉，導致CO2供應不足。H點：I點：HI段：光合速率=呼吸速率，有機物積累最多光合速率<呼吸速率光合作用消失點GI：隨著光強和溫度的降低光合作用逐漸減弱DH點：光合速率=呼吸速率DH點以下：光合速率<呼吸速率DH點以上：光合速率>呼吸速率補充從圖中可以看出，限制光合作用的因素有

。溫度過高，為減少蒸騰作用，氣孔關閉，CO2供應不足，光合速率下降，出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。時間光合作用強度BC段：光照強度不斷減弱。AB段：光照強度不斷增大。DE段：【典型曲線分析---拓展應用】光照強度、CO2濃度、水等提出提高光合作用強度的合理措施

。增加光照強度、合理密植、合理灌溉補充1.AD段玻璃罩內CO2濃度增加的原因是____________________；2.DH段玻璃罩內CO2濃度下降的原因是____________________；3.HI段玻璃罩內CO2濃度增加的原因是_____________________；4.光合速率等于呼吸速率的點是_______；5.經過一晝夜的時間，該植物是否生長？____。判斷的依據(jù)是_______________________________________________________________________。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點相比，玻璃罩內CO2濃度減少，減少的CO2轉化成有機物積累在植物體內如圖是密閉玻璃罩內的植物一天中光合速率的變化曲線圖?！镜湫颓€分析---拓展應用】補充光照下CO2的吸收量黑暗中CO2的釋放量曲線c：凈光合速率曲線d：呼吸速率E點：凈光合速率等于呼吸速率；總光合速率是凈光合速率的2倍。曲線a、b的差值：凈光合作用強度光合作用強度=呼吸作用強度D點：凈光合作用強度為0【典型曲線分析---拓展應用】補充1.光合速率的測定方法——氣體量變化法將裝置置于光照充足，溫度適宜的環(huán)境中保證了容器內CO2濃度的恒定，滿足了綠色植物光合作用的需求。細胞呼吸會不會改變瓶內壓強？不會測定的是總光合還是凈光合？凈光合液滴右移代表？凈光合大于0補充2.光合速率的測定方法——黑白瓶法黑瓶不透光，只進行呼吸作用白瓶透光，可以進行光合作用和呼吸作用。呼吸作用量=初始溶氧量－黑瓶溶氧量凈光合作用量=白瓶溶氧量－初始溶氧量總光合作用量=凈光合作用量+呼