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光合作用与能量转化
光合作用的原理和应用
一、光合作用的概念
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。
化学反应式：
二、光合作用的原理
1.探索光合作用原理的部分实验
（1）19世纪末，科学家普遍认为，在光合作用中，CO2中的C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，甲醛分子缩合成糖。
（2）1928年，科学家发现，甲醛对植物有毒害作用，并且甲醛不能通过光合作用转化成糖。
（3）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。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。
思考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元素全部来自水？
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它物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
思考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。
（4）1941年，美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素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：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组实验给同种植物提供H218O和CO2。在其它条件相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。
思考3：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
思考4：尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
（5）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。
（5）20世纪40年代，美国科学家卡尔文（M.Calvin，1911-1997)等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做实验：用14C标记CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径称为卡尔文循环。
14CO2→14C3→（14CH2O）
2.光合作用过程
根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应两个阶段。
光反应
暗反应
H2O
类囊体膜
酶
Pi ＋ADP
ATP
①光反应阶段
光、色素、酶
叶绿体的类囊体薄膜上
水的光解：
2H2O O2 +4NADPH
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+
NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素
O2
②暗反应阶段
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
叶绿体的基质中
ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
NADPH 、ATP、酶
场所：
条件：
物质变化
能量
变化
CO2
五碳化合物 C5
CO2的固定
三碳化合物 2C3
叶绿体基质
多种酶
糖类
ATP
NADPH
(CH2O)
2C3 (CH2O) ＋C5
酶
糖类
ATP、NADPH
光能
H2O
CO2
还
原
（CH2O）
叶绿体
色素
供氢
酶
供能
多种酶参加催化
暗反应（叶绿体基质）
2C3
C5
固定
ADP+Pi
ATP
酶
水在光下分解
O2
NADPH
NADP+
光反应（叶绿体类囊体薄膜）
光能
ATP、NADPH中活跃的化学能
有机物中稳定的化学能
③光合作用过程
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*
条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O)
光照由强到弱 CO2供应不变
光照不变 CO2由充足到不足
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+
C5、NADPH、ATP变化一致，C3、C5相反。
外界条件突然改变，NADPH、C5、ATP等物质的变化规律
光、光合色素、酶
有光无光均可、酶
叶绿体类囊体薄膜（基粒）
叶绿体基质
光能→ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
物质联系：光反应生成的ATP和NADPH供暗反应C3的还原，而暗反应为光反应提供了ADP、Pi、NADP+。
H2O的光解；
ATP、NADPH的合成
CO2的固定；
C3的还原
ATP、NADPH的分解
能量联系：光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将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
利用环境中某些无机物氧化时所释放的能量把CO2和H2O为原料合成糖类，所需的能量来源于化学能。
自养生物
异养生物
如人、动物、真菌及大多数的细菌。
光能自养生物（如绿色植物、蓝细菌）
化能自养生物（如硝化细菌、铁细菌、硫细菌）
以光为能源，以CO2和H2O（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。
只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
1.光合作用强度的表示方法？
固定CO2的量
制造或产生有机物（糖类）量
产生O2的量
单位时间内光合作用
产物的生成量或底物的消耗量！
三、光合作用原理的应用
2、光合作用速率的测定
线粒体
叶绿体
产生O2
释放O2
（可以测得）
叶肉细胞
CO2
吸收CO2
（可以测得）
植物在进行光合作用的同时，还进行呼吸作用。
实际测量到的光合作用指标是净光合作用速率，称为表观光合速率。
真正（总）光合速率= 净（表观）光合速率 + 呼吸作用速率
合成有机物的量
固定或消耗CO2量
产生O2的量
有机物积累量
CO2吸收量
O2的释放量
消耗有机物的量
黑暗下CO2的释放量
黑暗下O2的吸收量
=
=
=
+
+
+
(1)甲装置在黑暗条件下植物只进行 ，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的O2吸收速率，可代表 。
(2)乙装置在光照条件下植物进行 ，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表 。
细胞呼吸
呼吸速率
光合作用和细胞呼吸
净光合速率
CO2的浓度
CO2＋H2O （CH2O）＋O2
光能
叶绿体
H2O
光：光照强度、光质、光照时间
矿质元素（N、Mg是合成叶绿素的原料）
外因：
内因：
酶的种类、数量
色素的含量
叶龄不同
温度
影响光合作用强度的因素及应用
光照强度
0
CO2
吸收速率
CO2
释放
速率
A
B
C
呼吸速率
光补偿点
光饱和点
净光合速率
总光合
速率
B：光合作用=呼吸作用
D：光合速率开始达到最大时对应的光照强度
D
AB：光合作用<呼吸作用
BC：光合作用>呼吸作用
呼吸
速率
A:只进行呼吸作用
1、C点之前和之后限制光合作用因素分别是？
C点前：光照强度
C点后：CO2浓度、温度等
2、能否在图中找出总光合速率？
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。
阳生植物
在强光环境中生长发育健壮，在阴蔽和弱光条件下生长发育不良的植物称阳性植物
阴生植物
阳生植物
光照强度
0
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
D
提示：阴生植物的呼吸作用较弱，A点上移，光补偿点B1在B点左侧；对光的利用能力也不强，最大光合速率C1往左下移。
应用：
合理密植
间作套种
适当剪枝
讨论：若该曲线表示的是阳生植物的光合速率，阴生植物的曲线该如何画？据此生产上有哪些应用？
CO2
吸收速率
CO2
释放
速率
由图可知，在植物的栽培过程中可以通过增加
来增大光合作用速率，其具体措施有
等。
CO2浓度
施有机肥、通风、与鸡舍相连
温度主要是通过影响
来影响光合速率；因此，大田栽培时要适时播种、大棚栽培时白天适当
温度，晚上适当 温度。
与光合作用有关的酶的活性
提高
降低
光合作用小结
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
谢谢观看

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