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第4节 光合作用与能量转化
第5章 细胞的能量供应和利用
二、光合作用的原理和应用
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把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。
原料：二氧化碳 水
产物：有机物（主要是糖类） 氧气
场所：叶绿体
条件：光 , 多种酶
（1）光合作用的原料、产物、场所、条件是什么？
（2）你能用一个化学反应式表示出来吗
光能
叶绿体
CO2 + H2 O （CH2O)+ O2
物质变化 能量变化
19世纪末,科学界普遍认为：
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为糖。
（一）光合作用的原理
实验一：希尔反应
1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）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。
不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移。
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？
103页--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？
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
3、光合作用释放的O2到底来自H2O 还是CO2呢？还是二者兼而有之？
实验二：鲁宾和卡门实验
1.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H2O ，而并不来源于CO2。
讨论
第一组
第二组
研究方法：同位素标记法（同位素示踪）
实验三：阿尔农实验
讨论
1.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
H2O O2+NADPH +能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
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。
第一阶段：光反应：必须有光才能进行。
第二阶段：暗反应：有没有光都可以进行。
划分依据：反应过程是否需要光能
（碳反应）
课本103页
类囊体薄
膜上的色素
分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
光反应过程
H+
NADPH
酶
(1)光反应阶段
a、条件：
光、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP+
b、场所：
类囊体薄膜上
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
H+
NADPH
酶
c、物质转化
水的光解:
ATP的合成:
H2O O2+H+
光
色素
ADP+Pi+能量 ATP+H2O
酶
NADPH的合成:
NADP++H++2e- NADPH
酶
光能
e、能量转变:
ATP和NADPH中活跃的化学能
d、主要产物:
O2、ATP、NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
(1)光反应阶段
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
暗反应过程
NADPH
酶
（卡尔文循环）
a、条件：
有没有光都可以，需多种酶、CO2、ATP、NADPH
b、场所：
叶绿体基质中
(2)暗反应阶段
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
暗反应过程
NADPH
酶
（卡尔文循环）
c、物质转化
CO2的固定:
C3的还原:
CO2＋C5 2C3
酶
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
ATP、NADPH中活跃的化学能
e、能量转变:
糖类中稳定的化学能
d、产物:
（CH2O）、ADP 、Pi、NADP+
(2)暗反应阶段
反应阶段
反应部位
反应条件
物质变化
能量变化
产 物
两阶段相同点 光合作用实质 联 系 光反应
暗反应
叶绿体类囊体的薄膜上
叶绿体基质
叶绿体色素、酶、光能
酶
H2O NADPH +O2
酶
ADP+Pi+能量 ATP
酶
CO2被固定C3被还原形成糖类
等有机物
光能→活跃的化学能
活跃的化学能→稳定的化学能
NADPH、ATP、O2
ADP、Pi、(CH2O)、C5
都包括物质变化和能量变化
把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来
光反应与暗反应的比较
ATP → ADP+Pi+能量
酶
光反应
暗反应
暗反应
光反应
NADPH、ATP
ADP、Pi
类囊体薄膜上
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
能量
C5
2C3
多种酶
(CH2O)糖类
CO2
固定
还原
酶
光反应
暗反应
光合作用的过程
H+
NADPH
酶
酶
能量
场所：类囊体薄膜
场所：叶绿体基质
1、NADPH和ATP的移动途径是？
从类囊体薄膜到叶绿体基质；
2、NADP+和ADP、Pi的呢？
从叶绿体基质到类囊体薄膜；
3、NADPH的作用？
1.活泼的还原剂；2.储存部分能量供暗反应阶段利用；
【问题探讨】
9
1______；2____；3____；4____；5________；6______；7_______；8___________；9_________。
分析光合作用过程图，写出数字代表的含义。
类囊体
水
O2
ATP
NADPH
NADP+
CO2
C3
糖类（CH2O）
4 的转移途径是_________________________
类囊体薄膜到叶绿体基质
联系 光反应阶段
暗反应阶段
条件
场所
物质变化
能量变化
光、色素、酶
酶、ATP、NADPH
类囊体薄膜上
叶绿体基质中
水的光解；ATP的合成
CO2的固定；C3的还原
ATP、NADPH中活跃化学能
光能
ATP、NADPH中活跃化学能
有机物中
稳定化学能
光反应是暗反应的基础，为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供NADP+和ADP、Pi
光反应和暗反应的区别与联系
1.为什么暗反应不能较长时间地在黑暗条件下进行？
提示　因为光反应为暗反应提供的NADPH、ATP是有限的。
整个光合作用过程中的物质变化和能量变化分别是什么？
物质变化：
无机物
能量变化：
光能
转变
转变
光合作用的实质：合成有机物，储存能量。
有机物
糖类等有机物中的化学能
CO2
C3
（CH2O）
CO2中C的转移途径：
光合作用中的原子转移途径：
产物O2中O的来源：
H2O
O2
H2O
NADPH
（CH2O）
H2O中H转移途径：
CO2＋H2O （CH2O）＋O2
光能
叶绿体
H+
深化探究
1.为什么暗反应不能较长时间地在黑暗条件下进行？
提示　因为光反应为暗反应提供的[H]、ATP是有限的。
提示　O可在释放的O2中检测到；H可在产生的糖类中检测到。
2.试利用同位素示踪法分析光合作用过程中各元素的转移途径。
(1)用放射性同位素分别标记H2O中的H和O，则能在光合作用的哪些物质中检测到放射性？
(2)若标记CO2中的14C，请写出光合作用中14C的转移途径。
提示　14CO2＋C5―→2C3(只有一个14C)―→C5＋(14CH2O)。
重点题型：分析叶绿体中C3、C5、NADPH、ATP、(CH2O)的动态变化
正常进行光合作用的植物，突然停止光照后，C3、C5、NADPH 、ATP 含量如何变化？
若突然停止CO2的供应呢？
C3↑ C5 ↓ NADPH ↓ATP↓
C3 ↓ C5 ↑ NADPH ↑ ATP ↑
思考：
总结：黑三高（光照变弱，C3含量升高), 碳少降（CO2减少，C3含量降低）；
其他物质变化与之相反；
那有机物怎么变呢？
条件变差，有机物减少，条件变好，有机物增多；
变化条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O) 模型
CO2供应不变 光照 强→弱 ↑ ↓ ↓ ↓
光照 弱→强 ↓ ↑ ↑ ↑
光照不变 CO2充 足→不足 ↓ ↑ ↑ ↓
CO2不 足→充足 ↑ ↓ ↓ ↑
大本109页：外界条件改变时，物质的变化：
条件 首先变化物质 随后变化物质
光照增强 CO2供应不变
光照减弱 CO2供应不变
光照不变 CO2供应增加
光照不变 CO2供应减弱
NADPH、ATP增加
C3减少/C5增加/ (CH2O)增加
NADPH、ATP减少
C3增加/C5减少/ (CH2O)减少
C5减少/C3增加/ (CH2O)增加
C5增加/C3减少/ (CH2O)减少
NADPH、ATP减少
NADPH、ATP增加
分析叶绿体中C3、C5、NADPH、ATP、(CH2O)的动态变化
“模型法”表示C3、C5、NADPH和ATP的含量变化
C3下降，C5上升，ATP/NADPH 上升
原因： 光照增强或者CO2不足
C3
C5
C3
C5
C3上升，C5下降，ATP/NADPH 下降
原因：光照不足或者CO2增高
（二）光合作用原理的应用
光合作用强度：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
光能
CO2+H2O
叶绿体
（CH2O）+O2
表示方法：1、单位时间内有机物的制造量或合成量
2、单位时间内O2的生成量或产生量
3、单位时间内CO2的消耗量或固定量
光（光照强度、光质、时间长短）；
水分、CO2浓度；
无机营养（Mg2+等）、病虫害；
温度；
影响光合作用的因素：
内因（植物自身因素） ：
叶龄、植物种类（叶绿体的数量）、不同生长阶段
*外因（环境因素）：
能量供应：
原料：
叶绿体的形成和结构：
影响酶活性：
实验：探究环境因素（光照强度）对光合作用强度的影响
探究·实践---课本105页
实验原理
1.在光照下，绿色植物通过光合作用产生O2
2.若叶片中的气体溢出，细胞间隙充满了水，浮力减小，叶片就会沉到水底；若光合作用产生的O2充斥在叶片的细胞间隙中，浮力增大，叶片会从水底浮起。
3.光照强度不同，则光反应产生O2的速率不同，叶片上浮的时间也不同。
操作步骤
1、实验流程
打出小圆形叶片(30片)：用打孔器在生长旺盛的绿叶上
打出(直径＝1cm)叶圆片
抽出叶片内气体：用注射器(内有清水、小圆形叶片)抽
出叶片内气体(O2等)
将小圆形叶片放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用
取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水，向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，分别以不同光强光源照射
对照实验及结果：小圆形叶片浮上来（观察并记录一段时间内叶 圆片浮起数量）
↓
↓
↓
↓
叶圆片沉到水底
打出小圆形叶片
抽出叶片的气体
给予不同强度光照，记录圆叶片上浮至液面所需时间
光照强度
灯泡瓦数或灯泡与烧杯距离
光合作用强度
单位时间叶圆片上浮的数量
分析实验中叶片下沉和进行光照后叶片又上浮的原因：
①叶片下沉的原因：________________________。
②光照后上浮的原因：_____________________________。
叶片中的气体被抽出
叶片通过光合作用产生了氧气
实验：探究环境因素（光照强度）对光合作用强度的影响
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
甲 10片 20mL 强 多
乙 10片 20mL 中 中
丙 10片 20mL 弱 少
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。
实验结果
实验结论
1.光照强度
光合速率
0
光照强度
在一定的光强范围内,光合作用速率光照强度的增强而加快，超过一定光照强度光合作用速率趋于稳定。
光饱和点
影响因素
(1)光照强度
①关键点：
A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸; 释放量表示
此时的细胞呼吸强度
B点细胞呼吸释放的CO2量=光合作用消耗的CO2量
此时的光照强度称为光补偿点;
C点时达到了光饱和点，此时光照强度增加，光合作用强度不再增加。
②关键线段：AB段光合作用的强度 细胞呼吸的强度；
BC段光合作用的强度 细胞呼吸的强度。
<
>
影响因素
光照强度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
光照强度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
D
思考：若此图为阳生植物的图，那么阴生植物的A、B、C、D点怎么移动？图像又是什么样子的？
↑
A点：
B点：
C点：
←
↙
D点：
←
阳生植物是指在强光环境中生长健壮，而在弱光条件下发育不良的植物。阴生植物是指在弱光条件下比强光条件下生长良好的植物。
应用：控制好光强
措施：
①大棚种植阴雨天应补充光照，把光强控制在光饱和点，至少要在光补偿点之上；
②根据阳生植物和阴生植物对光照的不同要求，控制光照强弱。如间作套种时农作物的种类搭配、林带树种的搭配等。
课前小测
1.影响光合作用的因素：内因（1个）
外因（至少三个）
光照强度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
2.写出A点、B点、C点
以及AB段、BC段代表的意义
(2)CO2浓度
①走势分析：
一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增大而增大
②关键点分析：
A点表示该植物光合作用速率=细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点。
A’点表示该植物进行光合作用所需CO2的最低浓度
B点、 B’点该植物表示光合速率不再增加时CO2浓度，即CO2饱和点。
曲线是否过原点？
低浓度的二氧化碳浓度不能进行光合作用
应用：温室栽培时适当提高CO2的浓度
措施：
①多施有机肥或农家肥； （微生物呼吸）
②大田生产“正其行（合理安排植株的间距），通其风（补充新鲜的CO2）”，
即为提高CO2浓度、增加产量；
③释放一定量的干冰或给植物浇碳酸饮料(施NH4HCO3)。
1.将植物的一叶片置于恒温的密闭小室，调节小室CO2浓度，在适宜光照强度下测定叶片光合作用的强度（以CO2吸收速率表示），测定结果如下图。下列相关叙述，正确的是
A.如果光照强度适当降低，
a点左移，b点左移
B.如果光照强度适当降低，
a点左移，b点右移
C.如果光照强度适当增强，a点右移，b点右移
D.如果光照强度适当增强，a点左移，b点右移
D
a：CO2补偿点
b:CO2饱和点
(3)温度
①影响原理：温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度。
②曲线分析：B点对应的温度是最适温度，此时光合作用最强，高于或低于此温度，光合作用强度都会下降。
应用：白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用速率；晚上适当降低温室的温度，以降低细胞呼吸，保证植物有机物的积累。
酶最适温度:光合作用<呼吸作用
提高作物产量的应用：
增加昼夜温差
在温室中栽培作物，如遇持续的阴雨天气，为了保证作物的产量，对温度的控制应当（ ）
A.降低温室温度，保持昼夜温差
B.提高温室温度，保持昼夜温差
C.提高温室温度，昼夜恒温
D.降低温室温度，昼夜恒温
A
光合作用强度
O
时间：盛夏
A
7 10 12 14 18
A点的含义是：温度过高，蒸腾作用过强，气孔关闭， CO2供应不足光合速率下降----植物的午休现象
课本106页课后习题1
(4)无机营养和水
应用：适时、适量地施肥加水，可提高农作物产量。
水和无机营养
N、P、K、Mg等矿质元素都会
影响光合作用。
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。
N：酶及ATP的重要组分 P：磷脂、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
(5)多因子变量对光合作用速率影响的分析
P点之前:限制光合速率的因子应为横坐标所表示的因子。
Q点之后:影响因子主要为各曲线所表示的因子。
如果光照强度适当降低，a点向（ ）移，b点向（ ）移
课前小测
如果光照强度适当增强，a点向（ ）移，b点向（ ）移
课本106页课后习题1
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
（三）化能合成作用
同：把二氧化碳和水合成有机物
异：利用的能量不同
（光能、化学能）
光合作用和化能合成作用的异同
光合作用 化能合成作用
相同点 不同点 (利用的能量不同)
光合作用和化能合成作用的异同
把二氧化碳和水合成有机物
利用的是光能
利用的是化学能
体外环境中无机物氧化释放的能量
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
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
如：绿色植物，蓝藻、硝化细菌、铁细菌、硫细菌等
如：人、动物、真菌(如蘑菇) 、多数的细菌（乳酸菌、大肠杆菌）等
自养生物：(光合作用，化能合成作用）
异养生物：
有氧呼吸与光合作用反应式：
12H2O+6CO2 C6H12O6+6O2+6H2O
叶绿体
光能
C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2 +12H2O+能量
酶
在植物中，光合作用形成的糖类在细胞呼吸中被消耗，形成的氧气可用于细胞呼吸
1．光合作用与有氧呼吸的联系-写出以葡萄糖为例的呼吸和光合作用反应式
探究点　光合作用和细胞呼吸的关系
拓 展
NADPH
(1)光合作用和有氧呼吸过程中都产生[H]，它们的来源和用途分别是怎样的？
(2)光合作用和有氧呼吸分别在哪个阶段产生ATP？分别有什么用途？
细胞呼吸产生的CO2可用于光合作用
光合作用为呼吸作用提供物质（有机物、O2）
(1)光合作用和有氧呼吸过程中都产生[H]，它们的来源和用途分别是怎样的？
提示　光合作用过程产生的[H]来自水，用于暗反应过程中C3的还原；有氧呼吸的第一、二阶段产生[H]，来自葡萄糖和水，用于第三阶段与O2结合成水。
(2)光合作用和有氧呼吸分别在哪个阶段产生ATP？分别有什么用途？
提示　光合作用的光反应阶段产生ATP，用于暗反应阶段C3的还原；有氧呼吸的三个阶段都产生ATP，用于各项生命活动。
光合作用 呼吸作用
场所
条件
物质 变化
能量 变化
实质
联系 C6H12O6等有机物稳定的化学能
比较光合作用、呼吸作用
光、色素、酶、H2O和CO2
叶绿体
细胞质基质、线粒体
O2、酶、H2O、C6H12O6
无机物转变成有机物
有机物氧化分解成无机物
ATP、NADPH中活跃化学能
光能
糖类等有机物中稳定化学能
ATP中活跃化学能和热能
合成有机物，储存能量
分解有机物，释放能量
光合作用为呼吸作用提供物质（有机物、O2）
呼吸作用为光合作用提供原料（CO2）
光合作用与细胞呼吸之间的气体变化
下列为叶肉细胞内线粒体与叶绿体之间的气体变化图示，据图判断生理过程。
图①：表示黑暗中，只进行细胞呼吸；
图②：表示细胞呼吸速率＞光合作用速率；
图③：表示细胞呼吸速率＝光合作用速率；
图④：表示细胞呼吸速率＜光合作用速率。
光照强度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
A
B
AB
BC
2、真正光合速率=净光合速率+呼吸速率
真正/实际/总光合（有机物制造量、氧气生成量、二氧化碳固定量或消耗量）
净/表观光合（有机物积累量、氧气释放量、二氧化碳吸收量）
有机物积累量=光合作用制造量-呼吸作用消耗量
“总光合速率”与 “净光合速率”的比较
项目 总(真正)光合量 净光合量
有机物
O2量
CO2量
产生或制造量
积累量
产生或制造量
（向细胞外的）释放量
固定量或利用量
（从细胞外的）吸收量
【呼吸速率】将植物置于黑暗中，一定时间内实验容器中CO2增加量、O2减少量或有机物减少量。
有机物情况变化曲线及密闭环境中一昼夜CO2含量的变化曲线
1．自然环境中一昼夜植物光合作用曲线
(1)开始进行光合作用的点：_________。
(2)光合作用与呼吸作用相等的点：________。
(3)开始积累有机物的点：_______。
(4)有机物积累量最大的点：______。
c
d、h
d
h
植物的午休现象？
成因：温度过高，蒸腾作用过强，导致气孔关闭，使CO2的吸收下降，从而使光合作用强度下降。
光合作用：叶肉细胞
呼吸作用：所有细胞
2．密闭容器中一昼夜植物光合作用曲线
(1)该植物光合作用强度与呼吸作用强度相等的点：_________。
(2)该植物一昼夜表现为__________，其原因是：________________________________________________
D、H
生长
I点CO2浓度低于A点CO2浓度，说明一昼夜密闭容器中CO2浓度减小，即植物光合作用>呼吸作用，植物生长。
图甲表示在一定条件下测得的该植物光照强度与光合速率的关系；图乙表示某绿色植物的细胞代谢情况；图丙是某兴趣小组将植物栽培在密闭玻璃温室中，用红外线测量仪测得的室内二氧化碳浓度与时间关系的曲线。请分析回答：
（1）图甲中的a点表示细胞呼吸强度，c点时，叶肉细胞中产生ATP的场所有 。
（2）图乙所示的该植物细胞代谢情况可用图甲中a～d四点中 表示，也可以用图丙e～j六个点中的 表示。
（3）当光照强度在图甲的d点时，该植物叶绿体固定的二氧化碳的量 mg/100cm2/h。
（4）由图丙可推知，密闭玻璃温室中氧气浓度最大的是 点。24点与0点相比，植物体内有机物总量的变化情况是 。（填“增多”“不变”或“减少”）
叶绿体、线粒体、细胞质基质
c
f、h
18
减少
h

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