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5.4 光合作用与能量转化
第一课时
捕获光能的色素和结构
问题探讨
1、靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
2、为什么要控制二氧化碳浓度，营养液成分和温度等条件？
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，人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。
影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。二氧化碳浓度、营养液和温度是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态。
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下， 生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。
（一）捕获光能的色素
正常玉米植株（绿色）
白化玉米植株（白色）
对于高等植物来说，叶片是进行光合作用的主要器官。这些植物的叶片大多数是绿色的，说明其中含有绿色的色素。
在玉米地里，有时可以看到叶片中不含绿色色素的白化苗。这样的白化苗待种子中贮存的养分耗尽就会死去。
由此可见：
叶片中的色素可能与光能的捕获有关。
绿叶中究竟有哪些色素呢？
实验：绿叶中色素的提取和分离
1．提取色素的原理是什么？
提取色素时加入CaCO3和SiO2的目的是？
分离色素的原理是？
制备滤纸条时，剪去两角的作用是什么？
色素分离时，为何要注意层析液不能没及滤液细线？
画滤液细线为什么要求细、齐、直，且待滤液干后重画1~2次？
实验：绿叶中色素的提取和分离
原理：色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。
（1）称取5g新鲜绿叶→剪碎，放于研钵中
步骤：
1．提取色素
实验：绿叶中色素的提取和分离
（2）加入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5~10 mL无水乙醇，迅速、充分地进行研磨。
二氧化硅有助于研磨得充分
碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。
（3）将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤，将滤液收集到试管中、及时用棉塞将试管口塞严。
2．分离色素：
方法：纸层析法
原理：绿叶中的色素不只一种，它们都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同，溶解度高的色素分子随层析液在纸条上的扩散得快，溶解度低的色素分子随层析液在滤纸条上的扩散得慢，因而可用层析液将不同的色素分离。
实验：绿叶中色素的提取和分离
（1）制备滤纸条
剪去两角
铅笔线
1CM
使层析液同步到达滤液细线，防止色素带不整齐
实验：绿叶中色素的提取和分离
2．分离色素步骤：
（2）画滤液细线
要求：
①细、齐、直；
②待滤液干后，再重画1~2次
原因：防止色素带重叠而影响分离效果。
原因：积累更多的色素
（3）分离绿叶中的色素
层析液
培养皿
滤液细线
注意：不能让滤液细线触及层析液，否则滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤液上扩散。
观察与记录
（橙黄色）
（黄 色）
（蓝绿色）
（黄绿色)
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
类胡萝卜素
含量约占
四分之一
叶绿素
含量约占四分之三
实验：绿叶中色素的提取和分离
2．分离色素：
色素的分离和提取实验中可能出现的异常现象的原因分析：
实验：绿叶中色素的提取和分离
色素带较浅的可能原因？
1、研磨不充分；或者未加二氧化硅，导致色素未能充分提取出来
2、制备色素所用的材料过少或者无水乙醇过多，导致色素浓度过小
3、画滤液细线时画的次数太少，没有积累足够的色素
色素带没有出现的可能原因？
1、没有画滤液细线
2、滤液细线接触层析液时间过长，导致色素溶解在了层析液中
叶绿素a和叶绿素b色素带较浅或者没有的原因？
1、没有加入碳酸钙，导致研磨过程中色素被破坏
2、色素提取液制备完以后放置时间过长，导致叶绿素被分解
3、选取的叶片不是新鲜的叶片，而是老叶或者黄叶
色素带出现重叠的原因？
滤纸条没有经干燥处理；或滤液细线没有画的细直，导致色素扩散不一致
（一）捕获光能的色素
绿叶中的色素主要吸收蓝紫光和红光。
阳光通过三棱镜，不同波长的光会散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。
如果在阳光和三棱镜之间放置色素溶液，发现照射出来的光谱与无色素溶液的光谱有一定区别
通过叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱我们可以发现：
叶绿素主要吸收：_____________
类胡萝卜素主要吸收：________
蓝紫光、红光
蓝紫光
①
②
④
⑤
③
外膜
内膜
基质
基粒
叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体。 吸收光能的四种色素就分布在类囊体薄膜上，每个基粒都含有两个以上的类囊体，多的可达100个以上。叶绿体内如此众多的基粒和类囊体极大地扩展了受光面积。
类囊体
（二）叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体的功能
极细光束照射
完全光照
黑暗，无空气
讨论：
1. 恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
2. 恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
选材上面，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；好氧细菌可确定释放氧气多的部位；
没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；
用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；
临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果。
（二）叶绿体的结构适于进行光合作用
3. 在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？
这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。
4. 综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？
叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。
（二）叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体的功能
恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。
随堂练习
1、植物叶片中的色素对植物的生长发育有重要作用。下列有关叶绿体中色素的叙述，错误的是（ ）
A. 氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素
B. 叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上
C. 用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰
D. 叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得越慢
A、叶绿素的元素组成是C、H、O、N、Mg，所以氮元素和镁元素是构成叶绿素分子的重要元素，A正确；
B、光反应的场所是类囊体的薄膜，需要光合色素吸收光能，所以叶绿素和类胡萝卜素存在于叶绿体中类囊体的薄膜上，B正确；
C、类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，所以用不同波长的光照射类胡萝卜素溶液，其吸收光谱在蓝紫光区有吸收峰，C正确；
D、叶绿体中色素分离的原理是不同色素在层析液中溶解度不同，溶解度大的扩散得快，在滤纸条的最上方；溶解度小得扩散得慢，在滤纸条的最下方。因此，叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得速度越快，D错误。
D
随堂练习
2、德国科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的吸收光谱。他将三棱镜产生的散射光投射到丝状水绵体上，并在水绵悬液中放入需氧细菌，观察细菌的聚集情况(如图所示)。他由实验结果得出光合作用在红光区和蓝紫光区最强。这个实验的思路是( )
A.细菌对不同的光反应不一，细菌聚集多的地方，细菌光合作用强
B.需氧细菌聚集多的地方，O2浓度高，水绵光合作用强
C.需氧细菌聚集多的地方，产生的有机物多，水绵光合作用强
D.需氧细菌大量消耗O2，使水绵的光合速率大幅度加快
B
5.4 光合作用与能量转化
第二课时
光合作用的原理
光合作用的原理和应用
1.概念：
光合作用时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
2.用反应式可表示为：
探究光合作用原理的部分实验
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
1、19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，二氧化碳的C和O被分开，氧气被释放，C与水结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。
到1982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成糖
2、1937年，英国科学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有水，没有二氧化碳），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
只有H2O没有CO2
离体的叶绿体悬浮液
O2
探究光合作用原理的部分实验
3、1941年，美国科学家鲁宾和卡门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分别标记水和二氧化碳。然后进行了以下两组实验：甲组给植物提供H2O和C18O2,乙组提供H218O和CO2 ，最终发现：甲组释放的氧气都是O2 ，乙组释放的都是18O2
结论：光合作用产生的O2来自于H2O。
CO2
H2O
C18O2
H218O
18O2
O2
甲组
乙组
光照射下的
小球藻悬液
探究光合作用原理的部分实验
4、1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP，1957年，阿尔农又发现这一过程总是与水的光解相伴随。
H2O O2 + 2H+ + 能量
光照
叶绿体
尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系：
ADP+Pi ATP
探究光合作用原理的部分实验
上述实验表明，
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。　
光合作用过程
划分依据:反应过程是否需要光能
光反应阶段
暗反应阶段
（碳反应）
光合作用的第二阶段，有没有光都可以进行。
光合作用的第一阶段，必须有光才能进行。
类囊体薄膜上
的色素
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
H+
NADPH
酶
（氧化型辅酶Ⅱ）
（还原型辅酶Ⅱ）
光解
可见光
光反应阶段
1.场 所：叶绿体的类囊体薄膜上
2.条 件：光、色素、酶
3.物质变化：
色素、酶
水的光解：
2H2O O2 + 4H+
光
酶
NADPH的合成： NADP+ + H+ NADPH
ATP的合成：
ADP + Pi + 能量（光能) ATP
酶
4.能量变化：
光能 ATP 和 NADPH 中活跃的化学能
糖类是如何合成的呢
20世纪50年代，卡尔文及其同事利用小球藻研究光合作用的暗反应。在实验中提供给小球藻提供14CO2，然后迅速倾入煮沸的乙醇溶液中杀死细胞，使酶失活。最后利用双向层析技术和放射性自显影技术分析中间产物。
ADP+Pi
ATP
NADP+
C5
2C3
多种酶
(CH2O) 糖类
CO2
固定
还原
酶
NADPH
酶
暗反应阶段
卡尔文循环
1.场 所：叶绿体的基质中
2.条 件：有光无光都可，多种酶
3.物质变化：
4.能量变化：
CO2的固定：
C3的还原：
酶
CO2＋C5 2C3
2C3
酶
ATP、NADPH
(CH2O)+C5
ATP、NADPH中活跃的化学能
有机物中稳定的化学能
类囊体薄
膜上
的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
光反应
暗反应
NADP+
NADPH
酶
可见光
光合作用全过程
①C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
②O的转移：
H2O → O2
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
光合作用过程中元素的转移
光反应和暗反应区别和联系
光反应阶段 暗反应阶段（碳反应）
场所
条件
物质变化
能量变化
联系 项目
叶绿体类囊体薄膜上
叶绿体基质
光、色素、酶
有光无光都可，多种酶
光能→ATP、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
光反应为暗反应提供ATP和NADPH
暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料
过程
色素、酶
2H2O O2 + 4H+
光
ADP + Pi + 能量 ATP
酶
酶
NADP+ + H+ NADPH
酶
CO2＋C5 2C3
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
类囊体薄
膜上
的色素
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
NADP+
NADPH
酶
可见光
条件
光照减弱
光照增强
CO2浓度减少
CO2浓度增加
C3
C5
ATP
NADPH
增加
减少
减少
增加
减少
增加
增加
减少
减少
增加
增加
减少
减少
增加
增加
减少
随堂练习
1.(多选)大气中的CO2需通过植物叶片内部结构最终扩散到叶绿体基质内进行光合作用，叶肉细胞可导致CO2传递受阻从而影响植物的光合作用，该现象称为叶肉限制；叶肉限制的大小可用叶肉导度（CO2从气孔到叶绿体内的扩散阻力的倒数）表示。下列说法错误的是（ ）
A. 植物细胞壁越厚，叶肉导度越大
B. 增加叶肉细胞生物膜的通透性，可以降低叶肉限制
C. 缺水条件下，叶肉限制可能会增大
D. 叶肉导度越大，光合速率越小
A、细胞壁是全透的，其厚度应不影响二氧化碳从气孔到叶绿体的扩散，A错误；
B、增加叶肉细胞生物膜的通透性，叶肉导度变大，CO2从气孔到叶绿体内的扩散阻力越小，可以降低叶肉限制，B正确；
C、缺水条件下，气孔关闭，叶肉细胞导致CO2传递受阻增大，叶肉限制可能会增大，C正确；
D、叶肉导度越大，CO2从气孔到叶绿体内的扩散阻力越小，CO2吸收量越大，光合速率越大，D错误。
AD
随堂练习
2.(多选)下面是叶肉细胞在不同光照强度下叶绿体与线粒体的代谢简图, 相关叙述正确的是( )
A.细胞处于黑暗环境中, 该细胞单位时间释放的CO2量即为呼吸速率
B.细胞没有与外界发生O2和CO2的交换, 可断定此时光合速率等于呼吸速率
C.细胞处在较强光照条件下, 叶肉细胞光合作用所固定的CO2量为N1
D.分析细胞可得出, 此时的光照强度较弱且光合速率小于呼吸速率
ABD
随堂练习
3.如图为叶绿体中光合作用过程示意图，其中A、B、C、D表示叶绿体的结构，①②③④⑤表示有关物质。下列说法错误的是（ ）
A.图中A的存在可以增加叶
绿体内的膜面积
B.与光合作用有关的酶主要
分布在A、C、D上
C.光合作用过程中ADP和Pi从
B向A处移动
D.若突然停止光照，短时间
内④的含量会增加
B
5.4 光合作用与能量转化
第三课时
光合作用原理的应用
一、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。
表示方法：
单位时间内通过光合作用制造或产生有机物（糖类）的量
单位时间内通过光合作用固定二氧化碳的量
单位时间内通过光合作用产生氧气的量
二、环境因素对光合作用强度的影响
1、光照强度
图中A点的意义：光照强度为0时，细胞只进行呼吸作用
黑暗中呼吸所放出的CO2
光补偿点
光饱和点
CO2
吸
收
量
O
CO2
释
放
量
光照强度
·
·
·
A
B
C
·
D
图中B点的意义：光合作用和呼吸作用强度相等，也称为光补偿点。
图中C点的意义：光合作用强度不再随光照强度增加而变化，此时对应的D点为光饱和点。
净光合速率
真正光合速率
=
呼吸速率
—
CO2吸收量
O2释放量
有机物积累量
CO2固定量
O2产生量
有机物制造量
CO2释放量
O2消耗量
有机物消耗量
植物进行光合作用的同时进行着呼吸作用。
真正光合速率是指单位时间内植物在光下制造有机物(或吸收CO2)的量。
净光合速率是指单位时间内植物在光下制造的有机物(或固定CO2)的量去掉在这一段时间中植物进行呼吸作用所消耗的有机物(或释放的CO2)后净增的有机物的量。
CO2
吸
收
量
O
CO2
释
放
量
光照强度
黑暗中呼吸所释放的CO2
光补偿点
光饱和点
A
B
C
D
净光合量
真正光合量
阴生植物
消耗
呼吸
点移动问题解题技巧
呼吸作用强度
增强
减弱
A
A
光合作用条件
变强
减弱
分散跑
往回跑
B
(
D
E
)
B
(
D
E
)
CO2
吸
收
量
O
CO2
释
放
量
B
C
·
·
A
·
D
E
·
·
光照强度
2.CO2浓度
CO2
吸
收
量
O
CO2浓度
B
·
A
C
·
·
CO2补偿点
CO2饱和点
CO2
吸
收
量
O
CO2
释
放
量
CO2浓度
·
B
C
·
·
A
·
D
CO2饱和点
CO2补偿点
呼吸作用释放的CO2
3.温度
光合作用是在 的催化下进行的，温度直接影响 从而影响光合作用速率。
酶的活性
酶
白天：适当提高温度以___________________
提高光合作用强度
夜间：适当降低温度以___________________
降低细胞呼吸强度
0
最适温度
t/℃
υ/mmol. s-1
4.水
例如，Mg是叶绿素的组成元素
5.矿质元素
① 水是光合作用的_____，含水量越高，细胞代谢越旺盛。
② 植物缺水会导致__________,CO2供应不足，影响光合作用速率。
原料
气孔关闭
矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的组成成分。
6.光质
白光
蓝紫光
红光
绿光
＞
＞
＞
二、探究光照强度对光合作用强度的影响
1.实验原理
① 利用抽气法排除叶片细胞间隙中的气体，使其沉入水底。
② 通过台灯功率控制光照强度。
③
光照强度
→
光合作用强度
→
O2产生量
→
一段时间后小圆形叶片上浮的数量
2.实验步骤
5个小圆形叶片圆形叶片（使其气体逸出）
20mL富含CO2的清水
A
B
C
遮光
5个小圆形叶片圆形叶片（使其气体逸出）
20mL富含CO2的清水
A
B
C
遮光
40W
100W
3.实验结论：
在一定光照强度范围内，光合作用
强度，随光照强度的增强而增强。
实验结果记录
—— 某些细菌 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：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
CO2+H2O （CH2O）
能量
化能合成作用
异养生物(人、动物、真菌、大部分细菌)
营养类型
自养生物
光能自养生物(绿色植物)
化能自养生物
利用环境中现成的有机物来维持生命活动。
利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物）。如硝化细菌。
1.(2023·安徽省·单元测试) 为探究某植物生长的最佳光强度，设计如图所示的实验装置进行有关实验，正确的是（ ）
光合作用产生 O2的速率可以用单位时间
内装置中液滴移动距离来表示
B. 给予黑暗条件，图中液滴移动距离即为细
胞呼吸消耗的 O2量
C. 为使测得的 O2变化量更精确，该装置烧杯中应盛放 CO2缓冲液，还应增加对照装置，换死亡的同种植物幼苗替代装置中的植物幼苗
D. 为了探究光强度对光合作用的影响，调节白炽灯的光强度，只有在达到全日照光强时液滴向右移动量才最大
C

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