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植物工厂
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。
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？
问题探讨
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
江西生物组 东东老师
学习目标：
1．尝试提取和分离绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类及其功能。
2．运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。
3．通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用过程的认识过程是逐步的、不断发展的。
4．设计并实施实验，探究环境因素对光合作用强度的影响。
5．关注光合作用原理的应用。
捕获光能的色素和结构
Function of cell membrane
思考：植物工厂的绿色植物如何利用补照红/蓝/白光增产？有特定物质结构吗？
高等植物光合作用的主要器官叶片大多绿色，含有绿色的色素。但绿色的植物幼苗有时会出现不含绿色色素的白化苗。白化苗由于不能光合作用，待种子中贮存养分耗尽就会死亡。
绿色植物绿叶中绿色的色素可能会捕获光能进行光合作用增产
一、捕获光能的色素
实验：绿叶中色素的提取和分离
Experiment: Extraction and separation of pigment from green leaves
2．分离原理：溶解在层析液中的绿叶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上扩散得快；反之则慢。绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开
1．提取原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇
思考：绿叶中究竟有哪些捕获光能的色素呢？
思考：什么试剂可替代无水乙醇？层析液含有哪些物质，可由什么代替？
一、原理
二、目的要求：
1．进行绿叶中色素的提取和分离；2．探究绿叶中含有几种色素
三、材料用具：
新鲜菠菜绿叶；干燥定性滤纸、试管、棉塞、试管架、研钵、玻璃漏斗、尼龙布、毛细吸管、剪刀、药匙、10mL量筒、天平；无水乙醇、层析液（20份60~90℃分馏的石油醚、2份丙酮和1份苯）、SiO2和CaCO3
95%乙醇加适量无水碳酸钠
20份石油醚、2份丙酮和1份苯；93号汽油
层析液
1cm
实验：绿叶中色素的提取
四．实验过程：①提取绿叶中的色素
称取5g菠菜叶、剪碎
加10mL无水乙醇、SiO2和CaCO3迅速充分研磨
过滤
用棉塞将试管口塞紧防止乙醇挥发和色素氧化
思考：得到的色素提取液绿色较淡的原因有哪些
①研磨不充分（未加SiO2）/研磨太慢，乙醇挥发
②未选新鲜绿叶（叶片发黄）或称取绿叶过少
③加入无水乙醇过多，导致色素溶液浓度偏小
④未加CaCO3或加入过少，导致色素被破坏，主要是叶绿素被破坏
实验：绿叶中色素的提取和分离
Experiment: Extraction and separation of pigment from green leaves
四．实验过程
色素均匀扩散，更好地分离
防止层析液在边缘扩散过快，使色素在滤纸上扩散均匀
笔墨中的色素会也能随层析液扩散，
污染从绿叶中提取的色素
细、直：使分离的色素带平整、不重叠
积累更多的色素，
使分离出的色素带清晰。
铅笔细线
实验：绿叶中色素的提取和分离
Experiment: Extraction and separation of pigment from green leaves
不能让滤液细线触及层析液：
防止色素溶解在层析液中，
导致实验失败观察不到色素带
防止层析液中的成分挥发
(因为丙酮、苯等有毒)
四．实验过程
实验：绿叶中色素的提取和分离
Experiment: Extraction and separation of pigment from green leaves
五．实验结果
上
下
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
（主要吸收蓝紫光和红光）
（主要吸收蓝紫光）
类胡萝卜素
1/4
叶绿素
3/4
捕获光能的色素和结构
Function of cell membrane
色素带宽窄说明绿叶色素含量多少：叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素
色素带从上到下说明色素在层析液溶解度大小：
（黄色）
思考：色素带的位置、宽窄说明什么？
（蓝绿色）
（黄绿色)
（橙黄色）
胡萝卜素>叶黄素>叶绿素a>叶绿素b
捕获光能的色素和结构
Function of cell membrane
叶绿体中的色素提取液
叶绿素主要吸收___________ 类胡萝卜素主要吸收________
蓝紫光
蓝紫光、红光
红光区、蓝紫光区出现了暗带
绿光被吸收很少
四种色素对光的吸收
思考：绿叶中4种色素对光的吸收有何差别？
捕获光能的色素和结构
Function of cell membrane
光合色素对光的需求的应用
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？
白色薄膜；红色、蓝色和白色的光源
叶绿素a：蓝绿色
COOCH3
C32H30ON4Mg
COOC20H39
叶绿素b：黄绿色
COOCH3
C32H28O2N4Mg
COOC20H39
胡萝卜素：橙黄色
不饱和碳氢化合物：C40H56
叶黄素：黄色
胡萝卜素衍生的醇类：C40H56O2
捕获光能的色素和结构
Function of cell membrane
脱镁叶绿素
酸性条件
正常叶绿素
影响色素合成的因素
光照
温度
矿质元素
水
氧气
遗传因素
捕获光能的色素和结构
Function of cell membrane
1．光照
光是叶绿体发育和叶绿素合成必不可少的条件。植物在缺光条件下影响叶绿素形成而使叶子发黄的现象，称为黄化现象。
正常韭菜
韭黄
影响色素合成的因素
捕获光能的色素和结构
Function of cell membrane
2．温度
最适温度是20~30℃，最低温度约为2~4℃，最高温度为40℃左右。
温度过高或过低均降低合成速率，加速叶绿素降解。
秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象，都与低温抑制叶绿素形成有关。
4．水
植物缺水会抑制叶绿素的生物合成，且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时，叶绿素的合成减慢，降解加速，所以干旱时叶片呈黄褐色。
3．矿质元素
氮、镁：叶绿素的组分；铁、铜、锰、锌：叶绿素酶促合成的辅因子。
影响色素合成的因素
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
DNA、RNA
核糖体
基粒:色素附着类囊体薄膜垛叠的基粒
双层膜
功能：进行光合作用
结构：椭球或球形双膜细胞器
思考：绿叶中4种光合色素存在于细胞什么部位？
叶绿体内如此众多类囊体薄膜堆积的基粒极大地扩展了受光面积。叶绿体内部巨大类囊体薄膜分布着大量吸收光能的光合色素，在类囊体膜上和叶绿体基质中有光合作用相关酶。这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
思考：叶绿体除吸收光能外，还有什么功能？
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
资料分析1
水绵
极细光束照射
完全光照
黑暗无空气
恩格尔曼第一个实验示意图
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。
1．恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
2．他在选材、实验设计上有何妙处？
①选材：水绵具有细长的带状叶绿体，易于观察现象；好氧细菌的利用，准确显示出氧气产生的部位；
②设计：黑暗无空气的设计，排除了氧气和光的干扰；
④进行黑暗(局部光照)和曝光对比实验，从而明确结果完全是光照引起的。
③极细的光束照射：叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；
思考：叶绿体除吸收光能外，还有什么功能？
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
资料分析2
思考：叶绿体除吸收光能外，还有什么功能？
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
3．大量需氧细菌为何聚集在红/蓝紫光区域？
4．恩格尔曼实验能证明什么？综合上述资料，叶绿体具有什么功能？
因为水绵叶绿体上的光合色素几乎不吸收绿光，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。
叶绿体能吸收可见光的光能用于光合作用放氧；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。
恩格尔曼第二个实验示意图
1．海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗？
有关，不同颜色的藻类吸收不同波长的光。红藻的色素主要吸收蓝光，褐藻的色素主要吸收黄绿光，绿藻的色素主要吸收红橙光，在海水中各种光的穿透性按照红、绿、蓝的顺序逐渐增强。藻类本身的颜色是反射出来的光，即红藻反射出了红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄光。水对红橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多，即到达深水层的光线是短波长光，因此吸收红橙光较多的绿藻分布于海水浅层，吸收蓝光较多的红藻分布于海水深的地方。
2．为什么夏季叶片常呈现绿色？
绿叶中主要的光合色素为蓝绿色的叶绿素a和黄绿色的叶绿素b，叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，对绿光的吸收最少，反射绿光故成绿色。
注意：叶绿素遇有机酸、O2、低温等，易被破坏！
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
三、光合作用的原理
19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。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成糖。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
C6H12O6
葡萄糖
CH2O
甲醛
（CH2O）
碳水化合物
CO2
二氧化碳
思考：叶绿体是如何吸收可见光光能用于光合作用放氧？
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
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。希尔反应是叶绿体离体状况下完成的，因此，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。
思考：叶绿体是如何吸收可见光光能用于光合作用放氧？
三、光合作用的原理
讨论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？
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，也并没有直接观察到氧元素的转移。
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
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，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
CO2
H218O
光照射下的
小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
思考：叶绿体如何吸收光能用于光合作用放氧？氧又由什么物质产生？
三、光合作用的原理
讨论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水，而并不来源于CO2。
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
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。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论4：尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
光照
水
氧气
ADP+Pi
ATP
思考：叶绿体是如何吸收光能用于光合作用放氧？
三、光合作用的原理
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
20世纪40年代美国科学家卡尔文等用小球藻（单细胞绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2 ，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终证明了CO2是如何转化为有机物中的碳的。
探索光合作用原理的部分实验
思考·讨论
讨论5：卡尔文实验的结论是什么？
14CO2
小球藻
有机物的14C
光合产物中有机物的碳来自CO2
思考：叶绿体是如何吸收光能用于光合作用放氧？
三、光合作用的原理
卡尔文循环：CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径
C3是三碳化合物，即3-磷酸甘油酸
C5是五碳化合物，即核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）
14CO2+C5
214C3
（14CH2O）+14C5
多种酶
多种酶
NADPH、ATP
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
三、光合作用的原理
思考：叶绿体是如何吸收光能用于光合作用放氧？
ATP
ADP+Pi
酶
2C3
CO2
（CH2O）
多种酶参加反应
固定
O2
NADPH
H2O
光解
光反应阶段
类囊体薄膜
暗反应阶段
叶绿体基质
还原
NADP+
总反应式
CO2+H2O （CH2O）+O2
光能
叶绿体
6CO2 +12H2O C6H12O6+6H2O+6O2
光能
叶绿体
计算式
光合作用：绿色植物通过叶绿体，利用光能，将CO2和H2O转化成储存着能量的有机物，并且释放O2的过程。
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
H2O
ADP ＋Pi
酶
ATP
色
素
光能
2C3
多种酶
参加催化
还原
（CH2O）
CO2
C5
固定
条件：
场所：
物质变化：
光、色素、酶
类囊体薄膜
2H2O
光
4NADPH+O2
ADP+Pi+能量
ATP
ATP合成酶
能量转变：
光能→ATP中活跃的化学能
NADPH的化学能
O2
NADPH
光解
供氢
供能
条件：
场所：
物质变化：
CO2、多种酶、ATP、 NADPH
叶绿体基质
CO2+C5
酶
2C3
2C3 C5+(CH2O)
ATP、[H]
酶
能量转变：
ATP活跃化学能和NADPH的化学能→有机物稳定的化学能
ADP+Pi+能量
ATP
ATP水解酶
H++NADP++2e-
NADPH
酶
NADPH
H++NADP++2e-
酶
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
光反应和暗反应的区别与联系
光反应阶段 暗反应阶段
进行 部位
条件
物质 变化
能量 变化
联系 类囊体薄膜
叶绿体基质中
光、色素和酶
CO2、ATP、 [H] 、多种酶
光能→ATP活跃化学能和NADPH的化学能
ATP中活跃的化学能和NADPH的化学能→有机物中稳定的化学能
①光反应为暗反应提供NADPH和ATP
②暗反应产NADP+和ADP、Pi为光反应合成NADPH、ATP供原料
水的光解 2H2O→4[H]+O2
合成ATP ADP+Pi+能量→ ATP
光
酶
CO2的固定CO2+C5 → 2C3
C3 的还原2C3 C5+（CH2O）
酶
ATP 、NADPH
酶
水解ATP ATP→ ADP+Pi+能量
酶
光合作用的原理
The principle of photosynthesis
光合作用与呼吸作用
光合作用 呼吸作用
代谢类型
场所
条件
物质变化
能量变化
实质
同化作用
异化作用
叶绿体
光能→化学能
细胞质基质及线粒体
酶
光、色素、酶
无机物→有机物
有机物→无机物
化学能→ATP+热能等
合成有机物、储存能量
分解有机物、释放能量
6CO2 +12H2O C6H12O6+6H2O+6O2
光能
叶绿体
光合作用
C6H12O6+6H2O+6O2 6CO2+12H2O+能量
酶
有氧呼吸
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
环境因素骤变对光合作用相关物质含量变化的分析方法
光合
作用强度
光照强度
O
高CO2
低CO2
a
b
c
d
b与a相比，胞内___多，___少
d与c相比，胞内___多，___少
C5
C5
C3
C3
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
环境因素骤变对光合作用相关物质含量变化的分析方法
物
质
量
时间
强光照
C3
NADPH、ATP、O2
C5、(CH2O)合成量
弱光照
CO2供应量不变：光照强 弱
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
环境因素骤变对光合作用相关物质含量变化的分析方法
物
质
量
时间
强光照
C3
NADPH、ATP、O2
C5、(CH2O)合成量
弱光照
CO2供应量不变：光照强 弱
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
环境因素骤变对光合作用相关物质含量变化的分析方法
物
质
量
时间
缺乏
C3、(CH2O)、O2
C5、NADPH、ATP
CO2
充足
光照强度不变：CO2充足 缺乏
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
环境因素骤变对光合作用相关物质含量变化的分析方法
光照强度不变：CO2缺乏 充足
物
质
量
时间
CO2
缺乏
C3、(CH2O)、O2
C5、NADPH、ATP
充足
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
单一条件变 光照减弱 光照增强 CO2浓度减少 CO2浓度增加
C3 增加 减少 减少 增加
C5 减少 增加 增加 减少
(CH2O) 减少 增加 减少 增加
ATP 减少 增加 增加 减少
NADPH 减少 增加 增加 减少
O2 减少 增加 减少 增加
实验：探究环境因素对光合作用强度的影响
Experiment: Explore the influence of environmental factors on the intensity of photosynthesis
探究光照强弱对光合作用强度的影响
利用真空渗入法排除叶内细胞间隙的空气，充以水分，使叶片沉于水中。在光合作用过程中，植物吸收CO2放出O2，由于O2在水中的溶解度很小，而在细胞间积累，使原来下沉的叶片上浮。叶圆片上浮法：根据单位时间内圆形叶片上浮的数量，间接判断光合作用强弱。光合作用强度可用单位时间光合作用制造的有机物量或产生的O2量或CO2固定量。
一、实验原理：
1．用打孔器打出大小相等的圆叶片若干片（避开叶主脉）
二、实验步骤：
实验：探究环境因素对光合作用强度的影响
Experiment: Explore the influence of environmental factors on the intensity of photosynthesis
2．将圆形叶片置于注射器内，并让注射器吸入清水，待排出注射器内残留空气后，用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞，使小圆形叶片内的气体逸出。重复几次。
探究光照强弱对光合作用强度的影响
二、实验步骤：
3．将内部气体逸出的小圆形叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。这样的叶片因为细胞间隙充满了水，所以全都沉到水底。
避免光合作用产生O2，使叶片上浮
4．取3只小烧杯，分别倒入20 mL富含二氧化碳的清水(事先可用口通过玻璃管向清水内吹气)。
实验：探究环境因素对光合作用强度的影响
Experiment: Explore the influence of environmental factors on the intensity of photosynthesis
5．分别向3只小烧杯各放10片圆形叶片，然后分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照(3盏40W台灯分别向3个实验装置照射，光照强弱可通过调节台灯与实验装置间距)
光源会产生热量，导致温度不同，所以为了保证单一变量，应该加一个盛水玻璃柱，排除温度对实验结果的影响。
冷光源
探究光照强弱对光合作用强度的影响
二、实验步骤：
6．观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量。
三、实验记录：
烧杯 光源 距离 光照强度 叶片上浮数量
1 40W 5cm 强
2 40W 30cm 中
3 40W 50cm 弱
四、实验结论：
在一定光照强度范围内，光合作用随着光照强度的增加而增强
实验：探究环境因素对光合作用强度的影响
Experiment: Explore the influence of environmental factors on the intensity of photosynthesis
实验：探究环境因素对光合作用强度的影响
Experiment: Explore the influence of environmental factors on the intensity of photosynthesis
光合速率的测定
Determination of photosynthetic rate
光合速率的测定方法——气体量变化法/液滴移动法
将装置置于光照充足，
温度适宜的环境中
保证了容器内CO2浓度的恒定，满足了绿色植物光合作用的需求。
细胞呼吸会不会改变瓶内压强？
不会
测定的是总光合还是净光合？
净光合
液滴右移代表？
净光合大于0
光合速率的测定
Determination of photosynthetic rate
光合速率的测定方法——黑白瓶法
黑瓶不透光，只进行呼吸作用
白瓶透光，可以进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
净光合作用量 =
白瓶溶氧量 － 初始溶氧量
总光合作用量 =
净光合作用量+呼吸作用量
= 白瓶溶氧量-黑瓶溶氧量
从某一水层取样，装入若干个等体积黑瓶和白瓶中，并分别测得初始溶氧量；把黑白瓶悬挂于原水深处。一段时间后，分别测出黑、白瓶的溶氧量并算出平均值。
测定光合速率方法还有半叶法、叶圆片称重法、指示剂法、传感器法等
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
条件：__________
条件：__________
条件：__________
条件：__________
条件：__________
无光照
弱光照A
弱光照B
较强光照C
强光照D
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
B＞A
建立模型 探究CO2和O2的变化情况（相对数量关系）
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
外部因素1：光照
光照强度
CO2吸收量
CO2释放量
A
B
C
A点：只呼吸不光合
光补
偿点
光饱
和点
O
c
b
O2
CO2
AB段：呼吸＞光合
B点：
BC段：光合＞呼吸
呼吸＝光合
光合作用强度
Photosynthetic intensity
6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2
光能
叶绿体
光合作用
概念 指标 CO2 O2 C6H12O6
真正光合速率（总光合速率）
呼吸速率
表观光合速率（净光合速率）
有机物制造/产生/合成速率
有机物积累速率
有机物消耗速率
O2的产生速率
O2的消耗速率
O2的释放速率
CO2的固定/同化/消耗速率
CO2的产生速率
CO2的吸收速率
能量+6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2
酶
有氧呼吸
光照强度
CO2吸收量
CO2释放量
A
B
C
O
c
b
呼吸速率
外部因素1：光照
光照强度
O2释放量
O2吸收量
A
B
C
O
c
b
呼吸速率
光照强度
C6H12O6积累量
C6H12O6消耗量
A
B
C
O
c
b
呼吸速率
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
外部因素1：光照
光照强度
CO2吸收量
CO2释放量
A
B
C
O
c
b
呼吸速率
净光合速率
总光合速率
有机物制造量 = 有机物积累量 +
呼吸有机物消耗量
总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率
O2产生量 = O2释放量 +
呼吸O2消耗量
CO2固定量 = CO2吸收量 +
呼吸CO2产生量
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
外部因素2：CO2浓度
CO2浓度
光合
作用强度
a
b
CO2启动点
CO2饱和点
B
A
CO2吸收量
CO2释放量
CO2浓度
A
B
C
O
D
b
c
d
CO2启动点
CO2饱和点
CO2补偿点
净光合速率
总光合速率
给某植物12小时光照，12小时黑暗处理，求一昼夜植物对CO2的吸收量。
1） V（CO2吸收）= a mg/h V（呼吸）= b mg/h
12a － 12b
2） V（CO2同化）= c mg/h V（呼吸）= b mg/h
12c － 24b
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
外部因素3：温度
温度
光合
速率
一定范围内，光合速率随温度升高而升高
超过最适温度，光合速率随温度升高而下降
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
外部因素4：水
C点：
时间
光合
作用强度
O
7 10 12 14 18
A
B
C
D
E
温度过高，为减少蒸腾作用，气孔关闭，CO2供应不足，光合速率下降，出现“午休”现象
光合＞呼吸
B、C、D三点，哪一点淀粉含量最多？
（D点）
盛夏
（教材P106 二、拓展题）
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
外部因素5：矿质元素
N：光合酶、[H]及ATP的重要组分
P： 类囊体膜、[H]和ATP的重要组分；
K：促进光合产物向贮藏器官运输
Mg：叶绿素的重要组分等
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
内部因素1：物种
各种植物的光合速率变化
光合速率
光照强度
阴生苔藓
阴生草木
阳生草木
小麦
玉米
高粱
O
阳生植物：在强光环境中生长发育健壮，在阴蔽或弱光条件下生长发育不良的植物。
阴生植物：在较弱的光照条件下能够生长良好的植物叫阴生植物。
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
内部因素2：叶龄
光合
作用强度
叶龄
幼
成熟
老
在一定范围内，随幼叶的不断生长，叶面积不断增大，叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加，光合作用强度不断增加
O
A
B
C
农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶保证植物及时换新叶，同时可降低其呼吸作用消耗有机物
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
内部因素3：叶面积指数
物
质
量
叶面积指数
单位土地面积上，植物的总叶面积
在一定的范围内，随叶面积不断增大，光合作用强度不断增加，超过一定范围后，光合作用强度不再增加。当叶面积增加到一定限度后，呼吸作用加强，净光合产量反而下降。
总光合量
净光合量
A
B
C
呼吸量
适当修苗，合理施肥、浇水，避免枝叶徒长，封行过早。温室栽培植物时，可通过合理密植来增加光合作用面积
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
光照下CO2的吸收量
黑暗中CO2的释放量
曲线c：净光合速率
曲线d：呼吸速率
E点：
净光合速率等于呼吸速率
总光合速率是静光合速率的2倍
曲线a、b的差值：
净光合作用强度
光合作用强度 = 呼吸作用强度
D点：
净光合作用强度为0
影响光合作用强度的因素
Factors influencing the intensity of photosynthesis
光合作用强度的多因素影响
限制光合速率的因素为横坐标所示的因素，随该因素的不断加强，光合速率不断提高
P点之前：
Q点：
横坐标所示的因素不再是限制光合速率的因素，影响因素为坐标图中所标示出的其他因素
光合作用的应用
Applications of photosynthesis
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
光合作用效率：
绿色植物通过光合作用制造有机物中所含能量与光合作用所吸收光能的比值
光能利用率：
单位土地面积农作物通过光合作用产生有机物中的能量与这块土地接受太阳能的比值
延长光合作用时间
提高光能利用率
增加光合作用面积
提高光合作用效率
控制H2O供应
控制CO2浓度
控制温度
控制光照质量
控制光照强弱
控制矿质元素供应
四、光合作用原理的应用
光合作用的应用
Applications of photosynthesis
花生与玉米间作
四、光合作用原理的应用
光能利用率：
单位土地面积农作物通过光合作用产生有机物中的能量与这块土地接受太阳能的比值。
延长光合作用时间，如增加复种次数，改一年一季为一年多季
提高光能利用率
增加光合作用面积，如合理密植、间作、轮作、套作
控制光强，如因地制宜（阳生植物种阳地、阴生植物种阴地）、光质影响（蓝紫光照，蛋白质脂质多；红光照，糖类增多）
增加CO2供应，如通风透光、增施农家肥、温室人工增CO2等
供应必需矿质元素，如N：光合酶、[H]及ATP的组分；P： 类囊体膜、[H]和ATP的组分；K：促进光合产物向贮藏器官运输；Mg：叶绿素的重要组分等
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将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物），如硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌等。
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
CO2+H2O （CH2O）
能量
化能自养型生物——化能合成作用
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
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。
化能合成
Chemosynthesis
新陈代谢
同化作用
光能自养
6CO2+12H2O
C6H12O6+6O2+6H2O
光能
叶绿体
（光合作用）
化能自养
（化能合成作用）
NH3
HNO2+能量
HNO3+能量
CO2+H2O
（CH2O）
能量
硝化细菌
（硫细菌、铁细菌）
自养型
异养型
寄生、腐生、捕食
化能合成
Chemosynthesis
新陈代谢类型
1）自养 需氧
大多数植物，蓝藻（产氧光合），硝化/硫/铁细菌
2）自养 厌氧
绿硫细菌、红硫细菌（不产氧光合）
3）异养 需氧
大多数细菌，大多数动物，菟丝子
4）异养 厌氧
乳酸杆菌、破伤风杆菌、产甲烷杆菌，蛔虫
5）异养 兼性厌氧
酵母菌
1．基于对叶绿体的结构和功能的理解，判断下列相关表述是否正确。
（1）叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。 （ ）
（2）叶绿体的类囊体上有巨大的膜面积，有利于充分吸收光能。 （ ）
（3）植物叶片之所以呈现绿色，是因为叶片中的叶绿体吸收了绿光。（ ）
2．下列关于高等植物细胞内色素的叙述，错误的是（ ）
A．所有植物细胞中都含有4种色素 B．有些植物细胞的液泡中也含有色素
C．光合素都可以吸收光能 D．植物光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素
×
√
×
A
3．在色素提取和分离的实验时，不能让层析液没及滤液细线的原因是（ ）
A．滤纸上几种色素会扩散不均匀而影响结果
B．滤纸条上滤液细线会变粗而使色素太分散
C．色素会溶解在层析液中而使结果不明显
D．滤纸条上的几种色素会混合起来
C
随堂练习
In-class practice
随堂练习
4．白光通过三棱镜能显示出七种颜色的连续光谱。如果将一瓶叶绿素提取液放在光源和三棱镜之间，连续光谱就会出现一些黑色带，这些条带应位于（ ）
A．绿光区 B．红光区和 绿光区 C．蓝紫光和绿光区 D．红光区和蓝紫光区
D
随堂练习
In-class practice
随堂练习
5．如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果，样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝藻经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列有关叙述正确的是（ ）
A．类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP合成
B．研磨时，加入的过量SiO2和CaCO3会破坏叶绿素
C．在敞开含生理盐水或磷酸盐缓冲液的烧杯中层析时，需通风操作
D．实验验证蓝藻没有叶黄素和叶绿素b和溶解度：叶绿素b<叶绿素a<叶黄素<胡萝卜素
6．如图表示较强光照且温度相同以及水和小球藻的质量相等的条件下，小球藻进行光合作用的实验示意图．一段时间后，以下相关比较不正确的是（　　）
A．Y2的质量大于Y3的质量 B．④中小球藻的质量大于①中小球藻的质量
C．②中水的质量大于④中水的质量 D．试管①的质量大于试管②的质量
D
C
随堂练习
In-class practice
随堂练习
7．将某植物叶片分离得到的叶绿体，分别置于含不同蔗糖浓度的反应介质溶液中，测量其光合速率，结果如图所示。图中光合速率用单位时间内单位叶绿素含量消耗的二氧化碳量表示。下列叙述正确的是（ ）
A．测得该植物叶片的光合速率小于该叶片分离得到的叶绿体的光合速率
B．若分离的叶绿体中存在一定比例的破碎叶绿体，测得的光合速率与无
破碎叶绿体的相比，光合速率偏大（20·浙江）
C．若该植物长期遮阴，叶片蔗糖浓度与光合速率的关系与BC对应关系相似
D．若植物开花，人为摘花，叶片蔗糖与光合速率的关系与AB对应关系相似
8．关于叶肉细胞在光照条件下产生还原剂和ATP的描述，正确的是（ ）
A．无氧时，光合作用是细胞还原剂和ATP的唯一来源，叶肉细胞所需能量由乳酸分解提供
B．有氧时，细胞质基质、线粒体和叶绿体都能产还原剂和ATP
C．线粒体和叶绿体合成还原剂和ATP都依赖氧
D．细胞质中消耗的还原剂和ATP均来自线粒体和叶绿体
9．光合作用的光反应和暗反应是既有区别，又紧密联系的整体。在植物正常进行光合作用的过程，若突然改变某条件则会引起某些指标（比值）发生变化，下列有关说法正确的是（ ）
A．突然中断CO2供应会暂时引起叶绿体基质中ATP/ADP比值增大
B．突然停止光照会暂时引起叶绿体基质中C5/C3比值增大
C．突然将红光改变为绿光会暂时引起叶绿体基质中C3/C5比值减小
D．突然将绿光改变为红光会暂时引起叶绿体基质中ADP/ATP比值增大
A
B
A
随堂练习
In-class practice
随堂练习
10．下图所示纵坐标表示某种植物气体吸收量或释放量的变化，下列叙述正确的是（　 ）
注：本题不考虑横坐标和纵坐标的单位的具体表示形式，单位的表示方法相同
A．若A代表O2吸收量，E点时光合作用积累的有机物量是12
B．若A代表O2吸收量，可以判断D点开始进行光合作用
C．若A代表CO2释放量，C点时植物根部释放的CO2一定来自线粒体
D．若A代表CO2释放量，提高大气中的CO2浓度，E点向右下移动
11．已知某植物光合作用和呼吸作用的最适温度分别是25℃、30℃，如图曲线表示该植物在30℃时光合作用强度与光照强度的关系。若将温度调节到25℃的条件下（原光照强度和CO2浓度不变），从理论上讲，图中相应点的移动分别是（ ）
A．a点上移，b点左移，m值增加
B．a点下移，b点左移，m值不变
C．a点上移，b点右移，m值下降
D．a点下移，b点不移，m值上升
12．（16四川5）三倍体西瓜由于含糖量高且无籽，备受人们青睐。下图是三倍体西瓜叶片净光合速率（以CO2吸收速率表示）与胞间CO2浓度（Ci）的日变化曲线，以下分析正确的是（ ）
A．与11：00时相比，13:00时叶绿体中合成C3的速率相对较高
B．14:00后叶片的Pn下降，导致植株积累有机物的量开始减少
C．17:00后叶片Ci快速上升导致叶片暗反应速率远高于光反应速率
D．叶片Pn先后两次下降，主要限制因素分别是CO2浓度和光照强度
D
A
D
课后作业
1．尝试写出本节的概念关系图；
2．针对性训练练习册相应内容。
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

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