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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
植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。
植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来.按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来农业的发展方向。
靠人工光源生产有什么好处？
用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足而导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和颜色是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，已使蔬菜产量达到最大。
为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
二氧化碳浓度、营养液成分和温度使影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状况。
光能
光合作用
糖类等有机物中稳定的化学能
ATP中活跃的化学能
直接用于各种生命活动
细胞呼吸
ATP水解
白化苗
玉米苗
原理：
提取：色素能溶解在丙酮或酒精等有机溶剂中，所以可用无水酒精提取色素。
分离：不同的色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸条上扩散的快；反之则慢。不同的色素在滤纸条上扩散而分离开。
SiO2——有助于研磨充分
CaCO3 ——防止色素被破坏
无水酒精——溶解色素
提取色素
浅绿
未加现象
棕黄
无色
分离色素
插滤纸条
层析液
培养皿
层析液不能没及滤液线
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
溶解度最大的：
含量最多的：
胡萝卜素（位置）
叶绿素a（宽度）
叶绿体中的色素
叶绿素
（含量约占总量的3/4）
类胡萝卜素
（含量约占总量的1/4）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
红光区和蓝紫光区变成了暗带。
实验表明：叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
因为色素对绿光的吸收最少，绿光被反射出来，所以我们看到叶片呈绿色。
为什么植物的叶片呈现绿色？
思考：温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？
玻璃或者塑料薄膜应选择透明无色的。
补充光源应该选择红光或蓝紫光。
叶绿体中的色素
叶绿素
（含量约占总量的3/4）
类胡萝卜素
（含量约占总量的1/4）
主要吸收蓝紫光和红光
主要吸收蓝紫光
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
二、叶绿体的结构适于光合作用
外膜
内膜
叶绿体基质
基粒
色素分布于类囊体薄膜上
类囊体增大了叶绿体内的膜面积
叶绿体的功能
恩格尔曼实验：
叶绿体的功能：吸收光能用于光合作用放氧。
外膜
内膜
叶绿体基质（光合作用的酶）
基粒（色素和光合作用的酶）
光合作用
绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化为储存能量的有机物，并释放氧气的过程。
CO2+H2O
（CH2O）+O2
光能
叶绿体
光合作用的原理
探索历程
CO2
C+O2
+
H2O
甲醛
糖
有害 不能
进行
希尔反应
加入铁盐或其他氧化剂（有水，没有二氧化碳）、光。
释放了氧气
说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。不能说明氧气中的氧元素全部来自于水。
O2
18O2
H2O
C18O2
CO2
H218O
A
B
同位素18O分别标记H2O和CO2
H2 18O和C18O2
结论：光合作用释放的氧来自水
光合作用释放的O2到底是来自H2O ，还是CO2
二、光合作用的过程
叶
绿
体
色
素
H2O
水的光解
叶
绿
体
色
素
O2
NADPH
ADP ＋Pi
酶
ATP
色
素
光能
光反应
光、
色素、
酶
水的光解：
ATP的合成：
类囊体薄膜上
H2O+NADP+ NADPH+O2
光
色素、酶
ADP＋Pi ＋能量 ATP
酶
光能
ATP和NADPH中活跃的化学能
条件 ：
场所：
物质变化
能量转变：
产物：
O2、NADPH、ATP
叶
绿
体
色
素
H2O
水的光解
叶
绿
体
色
素
O2
NADPH
ADP ＋Pi
酶
ATP
多种酶
参加催化
供能
还原
（CH2O）
固定
2C3
CO2
C5
色
素
光能
光反应
暗反应
有光无光都可，需多种酶
叶绿体基质
CO2＋C5 2C3
酶
CO2的固定：
C3的还原：
ATP和NADPH中活跃的化学能
有机物中稳定的化学能
条件：
场所：
物质变化
能量转变：
产物：
（CH2O） 、 ADP 、 Pi、NADP+
C3+NADPH (CH2O)+NADP+
酶
ATP
ADP+Pi
光反应和暗反应的区别和联系
光反应 暗反应
条件 必须有光 有光或无光均可
场所 类囊体薄膜 叶绿体基质
物质变化 水的光解和ATP的合成 CO2的固定和C3的还原
能量变化 光能转化为ATP和NADPH中活跃的化学能 ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中稳定的化学能
联系 光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+
三、光合作用原理的应用
光合作用强度表示方法
光能
CO2+H2O
叶绿体
（CH2O）+O2
1、单位时间内光合作用产生糖类的量
2、单位时间内光合作用消耗CO2的量
3、单位时间内光合作用产生O2的量
依据光合作用的过程，思考哪些因素会影响光合作用强度？
光照强度、二氧化碳浓度、温度、水分、无机盐以及色素和酶的数量等等
①光照强度
探究光照强度对光合作用强度的影响。
思考：
1、该实验的自变量和因变量分别是什么，无关变量有哪些？
2、如何设置自变量？
3、如何检测光合作用强度？
植物在进行光合作用的同时，还会进行呼吸作用。实验中观测到的光合作用指标，如氧气的产生量或者二氧化碳的吸收量，是植物光合作用实际产生的总氧气量吗？
真光合速率=净光合速率+呼吸速率
1．如图是夏季晴朗的白天，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：
（1）上午7～10时的光合作用强度不断增强，是因为
_______________________________________________。
（2）为什么12时左右的光合作用强度明显减弱？_______________________________________________
_______________________________________________。
（3）下午14～17时光合作用强度不断下降，是因为
_______________________________________________。
（4）从图中可以看出，限制光合作用的因素有______
___________________。
光照强度逐渐增大，光合作用强度增强
此时温度很高，植物为减少水分的散失而关闭部分气孔，造成二氧化碳供应减少，光合作用强度减弱
光照强度不断减弱，光合作用强度下降
光照强度、温度
提高农作物产量的一些措施及原理。
1、使用有机肥，有机肥中的有机物会被微生物分解释放出二氧化碳供给植物光合作用。
2、适当降低夜间温度，夜晚植物只能进行呼吸作用，降低温度可以使酶的活性降低而使呼吸速率降低，减少有机物的消耗。
3、合理密植，提高植物的受光面积。
硝化细菌
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
2HNO2+O2 2HNO3+能量
能量
硝化细菌的化能合成作用
6CO2+6H2O
(CH2O)+6O2
细菌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，这种合成作用叫化能合成作用。

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