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(共49张PPT)
第4节 光合作用与能量转换
(二)光合作用的原理和应用
第5章细胞的能量供应和利用
四、光合作用的原理
(1) 概念:
(2) 过程:
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。
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能
叶绿体
叶绿体是如何将光能转化为化学能？
又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？
光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？

资料1：19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。
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
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。
得出初步结论：氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。
1.光合作用的探究历程
四、光合作用的原理
资料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H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。
O2
H+
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。
讨论1：希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？为什么？
不能。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。
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。
1.光合作用的探究历程
四、光合作用的原理
希尔的实验中没有直接观察到氧元素的转移，那么，如何观察元素的转移？我们有没有学过什么科学方法可以做到这一点呢？
同位素示踪法（即同位素标记法）
现在我们要研究的是氧原子在光合作用过程中的转移过程，应该用什么同位素来标记什么物质？如何设置对照？
一组用18O标记二氧化碳，水不做标记；
另一组用 18O 标记水，二氧化碳不做标记。
1.光合作用的探究历程
四、光合作用的原理
资料3：1941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。
对比实验
相互对照
结论：光合作用释放的氧气中的O全部来源于水。
18O2
O2
1.光合作用的探究历程
四、光合作用的原理
资料4：美国科学家阿尔农（D.Arnon)在1954年发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年发现，这一过程总是与水的光解相伴随。
综合以上几个实验，可以得出以下结论：
1.光合作用释放的氧气中的氧元素来自水；
2.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；
3.叶绿体中ATP的合成总是伴随着水的光解。
由于该过程需要光能，必须有光才能进行，故被称为“光反应阶段”。该过程在类囊体的薄膜上进行。
尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系
1.光合作用的探究历程
四、光合作用的原理
光、色素、酶
叶绿体内的类囊体薄膜上
水的光解：
H2O O2 +H+
光能
ATP的合成：
ADP＋Pi ＋能量（光能） ATP
酶
光能 ATP和NADPH中活跃的化学能
场所：
条件：
物质变化
能量变化
NADPH的合成：H++NADP+ +2e NADPH
四、光合作用的原理
酶
NADPH:还原性辅酶II（光合）；NADH:还原性辅酶I（呼吸）
通过以上几个实验，光合作用过程中氧元素的转移已经被探究清楚了，那么碳元素的转移呢？
1946年开始，美国的卡尔文等用14CO2研究了CO2转化为糖的途径：向反应体系中充入一定量的14CO2,给予光照，让小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向。
（1）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中；
（2）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)；
（3）30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
卡尔文
四、光合作用的原理
场所：
条件：
叶绿体基质
酶、NADPH 、ATP、二氧化碳
物质变化
CO2的固定：
C3的还原：
C5的再生：
被还原的C3→ C5
C5 + CO2 → 2 C3
能量变化
ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
NADPH NADP+
ATP ADP+Pi
被还原的C3
C3
糖
注意：C3是指3-磷酸甘油酸；C5是指RuBP
四、光合作用的原理
NADPH的作用？
尝试画出光合作用过程图解（识记反应过程）
四、光合作用的原理
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
叶绿体
中的色素
H2O
NADPH
ATP
ADP + Pi
水的光解
O2
2C3
C5
糖类等有机物
多种酶
参加催化
CO2
还 原
固 定
C5的再生
NADP+
H++
固定
物质变化
能量变化
叶绿体处不同条件下，C3、C5、NADPH、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化
条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O)
停止光照 CO2供应不变
光照不变 停止CO2供应
增加
减少
增加
减少
减少
减少
减少
增加
色素分子
可见光
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
H+
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
固定
还原
NADP+
NADPH
ATP、ADP分别从哪里转移到哪里？
ATP从类囊体薄膜转移叶绿体基质，ADP从叶绿体基质转移到类囊体薄膜
四、光合作用的原理
光反应阶段 暗反应阶段
条件
场所
物质变化
能量变化
联系
光、色素、酶
不需光、酶、NADPH、ATP
叶绿体类囊体薄膜
叶绿体基质中
水的光解； ATP、NADPH的生成
CO2的固定； C3的还原
光能→ATP和NADPH活跃化学能
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ADP和Pi、NADP+ 。
光反应与暗反应的比较
四、光合作用的原理
光合作用的表达式：
元素转移： O元素：H2O→O2 C元素：CO2→C3→(CH2O)和C5
意义：①把无机物合成为有机物，生物界中有机物的来源；
②将光能转换成化学能，为生命世界的生命活动提供了能量来源；
③维持大气中氧气和二氧化碳的平衡
④对生物的进化具有重要作用
四、光合作用的原理
五、化能合成作用
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 C6H12O6+ 6O2
能量
光能自养生物
（如绿色植物、蓝细菌）
化能自养生物
（硝化细菌、铁细菌等）
异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。如人、动物、真菌及大多数的细菌。
A.希尔反应能说明植物光合作用中水的光解和糖类的合成不是同一个化学反应
B.卡尔文根据实验结果推测出CO2中C的转移途径为CO2→C3→(CH2O)→C5
C.鲁宾和卡门用同位素示踪的方法发现了光合作用中氧气来自水
D.阿尔农发现在光照下,叶绿体可合成ATP,并发现该过程总与水的光解相伴
2.下列叙述不正确的是( )
A.有氧呼吸过程中产生的[H]与氧气结合生成水分子，释放大量的能量
B.线粒体的内膜和基质中都能生成[H]
C.光合作用光反应阶段产生NADPH是在叶绿体的类囊体薄膜上完成的
D.光合作用光反应产生的NADPH参与了暗反应中C3的还原
B
习题检测
1.光合作用的科学研究经历了漫长的探索过程,众多科学家作出了重要贡献。下列说法错误的是
B
3.1937年，英国植物学家希尔(R.Hill)发现，将离体的叶绿体加入具有氢受体(如NADP＋)的水溶液中，在无CO2的条件下给予光照，发现叶绿体有氧气放出，生成NADPH(还原型辅酶Ⅱ)。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。下列相关分析错误的是
A.希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应
B.在此过程中，H2O分解产生O2的同时，还生成了NADPH
C.光合作用中O2的释放和CO2的利用，是可以暂时分离的
D.光合作用整个过程都直接需要光照
D
习题检测
4.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
习题检测
CO2浓度
水分
光
光质
光照强度
光照时间
光照面积
酶
色素
温度
矿质元素
气孔开闭情况
光合作用的强度：指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
影响
因素
六、影响光合作用强度的因素及其应用
产生O2的量
利用CO2的量
思考：能否测量出光合作用强度？
线粒体
叶绿体
O2
释放O2
（可测）
叶肉细胞
CO2
吸收CO2
吸收O2
（可测）
释放CO2
（可测）
（可测）
植物在单位时间内吸收CO2的量或者释放O2的量或者积累有机物的量称为净光合作用强度。
总光合作用强度=净光合作用强度+呼吸作用强度
六、影响光合作用强度的因素及其应用
光合作用与呼吸作用的关系
CO2
O2
CO2
O2
O2
CO2
CO2
O2
CO2
O2
光合<呼吸 光合=呼吸 光合>呼吸
六、影响光合作用强度的因素及其应用
总光合、净光合、呼吸的其他表示
提示：CO2、O2、有机物
总光合
CO2的消耗/需求/固定/同化量
O2的产生/生成量
有机物的产生/制造量
净光合
CO2的吸收量
O2的释放量
有机物的积累/剩余量
呼吸
黑暗下CO2的释放量
O2的消耗/利用量(黑暗下O2的吸收量)
有机物的消耗量
六、影响光合作用强度的因素及其应用
实验原理
叶片含有空气上浮
抽气
叶片下沉
叶片上浮
光合作用产生O2
O2充满细胞间隙
自变量
光照强弱
因变量
光合作用强度
相同时间小圆形叶片浮起的数量
用5W的LED灯作为光源，利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度
控制方法：
检测方法：
①实验叶片：
同种、生长状况相同、小圆形叶片大小相同、等量…
②NaHCO3溶液：
无变量
等量,相同浓度
数量
时间
六、影响光合作用强度的因素及其应用
1.探究.实践
实验材料
六、影响光合作用强度的因素及其应用
方法步骤
0.6cm的打孔器打孔
打出圆形小叶片30片
黑暗保存叶片
叶片置于注射器内
抽出叶片的气体
叶片均分为3组
六、影响光合作用强度的因素及其应用
1.探究.实践
方法步骤
1.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液），向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片；
2.分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照。
强光
中等光
弱光
注：LED灯作为光源（冷光源，排除温度干扰），分别用不同光照强度（调节光源与烧杯的距离）去照射叶片。
叶片均分为3组
六、影响光合作用强度的因素及其应用
1.探究.实践
方法步骤
3.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。（或上浮相同数量的小圆形叶片各实验装置所用时间。）
实验结果
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。
六、影响光合作用强度的因素及其应用
1.探究.实践
在各烧杯中加入不同浓度的NaHCO3溶液，可以用于探究CO2浓度对光合速率的影响。
NaHCO3溶液浓度太高，使叶片渗透失水，不利于光合作用。
吸收光的热量，避免温度的变化对实验结果造成干扰
盛水玻璃柱作用：
六、影响光合作用强度的因素及其应用
1.探究.实践
CO2浓度
六、影响光合作用强度的因素及其应用
内部因素1：叶龄
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
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
六、影响光合作用强度的因素及其应用
内部因素2：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
六、影响光合作用强度的因素及其应用
光照强度
0
CO2吸收
CO2
释放
A
B
C
呼吸速率
光补偿点
光饱和点
净光合
总光合
B：光合作用=呼吸作用
D：光合速率开始达到最大时外界的光照强度
（限制因素：CO2浓度、温度等）
D
AB：光合作用<呼吸作用
BC：光合作用>呼吸作用
呼吸
A：只进行呼吸作用
C点之前限制光合作用的因素是光照强度
应用：1.间作(几种作物同时期播种)套种(几种作物不同时期播种)
2.合理密植,增加光合作用面积 3.温室大棚,使用无色透明玻璃
六、影响光合作用强度的因素及其应用
外因：①光照强度
A ’
B ’
光照强度
O
C’
A
B
C
阴生植物
阳生植物
CO2吸收量
CO2释放量
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。
阳生植物的光补偿点和光饱和点都比阴生植物大
六、影响光合作用强度的因素及其应用
①光照强度（时间、光质）
CO2浓度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
D
A点：
对应的CO2浓度为能进行光合作用的最低CO2浓度。
CO2补偿点
光合作用速率＝呼吸作用速率
对应的D点为CO2饱和点
C点之后光合速率的限制因素：
主要为光照强度和温度。
B点：
C点：
应用：1.多施有机肥或农家肥；2.温室栽培植物时还可使用CO2发生器等；
3.大田中还要注意通风透气。
六、影响光合作用强度的因素及其应用
外因：②CO2浓度
原理1：温度通过影响 影响光合作用。
曲线分析:
酶的活性
六、影响光合作用强度的因素及其应用
原理2:影响气孔开闭
应用：1.适时播种 2.温室中,白天适当提高温度,晚上适当降温
3.植物“午休”现象 4.连续阴雨天：白天和晚上均降温
外因：③温度
④矿质元素：
六、影响光合作用强度的因素及其应用
⑤水:
N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分
P：NADP+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
1.光合作用的原料
2.体内各种化学反应的介质
3.直接影响气孔的开闭,间接影响CO2进入
应用：合理施肥
应用：预防干旱 合理灌溉
外因：矿质元素和水
问：温度不同或者CO2浓度不同，总光合速率曲线会如何变化？
P点前，制约因素是什么？Q点时，制约因素是什么？
应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合作用所需酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO2浓度，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。
六、影响光合作用强度的因素及其应用
内因：
外因：
基因决定酶种类数量不同
水分—应用：合理灌溉
矿质元素—应用：合理施肥
温度—影响酶的活性应用：适时播种、昼夜温差大“午休”
CO2浓度—升高CO2的浓度：通风、混养、使用农家肥、加干冰……
光质（光的颜色）
光照
光照时间： （应用：延长光照时间：一年两/三熟）
光合面积（叶面指数）（应用：合理密植、间苗、剪枝；适当升高
光强度，间作套种（提高光能的利用率）
不同植物光合作用不同；
不同部位（叶）光合作用不同；
不同叶龄的叶光合作用不同。
（应用：大棚种植用红光或
蓝紫光的灯管；无色透明的薄膜）
六、影响光合作用强度的因素及其应用
小结
盛夏一天24小时中，植物吸收和释放CO2量的变化
AC：
B点：
C点：
CD段：
黑暗，仅有细胞呼吸，无光合作用
光合作用开始点
光合速率逐渐增大，但<呼吸速率
凌晨温度最低，细胞呼吸最弱
BC：
温度回升，呼吸作用增强
D点：
DE：
F点：
光合速率=呼吸速率
随着光强和温度的提高，光合速率逐渐增大,此时光合速率>呼吸速率
光合午休：气温过高，蒸腾作用旺盛，部分气孔关闭，导致CO2供应不足。
H点：
I点：
HI段：
光合速率=呼吸速率，有机物积累最多
光合速率<呼吸速率
光合作用消失点
GI：
随着光强和温度的降低光合作用逐渐减弱
D H点：光合速率=呼吸速率
D H点以下：光合速率<呼吸速率
D H点以上：光合速率>呼吸速率
补充
从图中可以看出，限制光合作用的因素有 。
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。
时间
光合
作用强度
BC段：
光照强度不断减弱。
AB段：
光照强度不断增大。
DE段：
【典型曲线分析---拓展应用】
光照强度、CO2浓度、水等
提出提高光合作用强度的合理措施 。
增加光照强度、合理密植、合理灌溉
补充
1.AD段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是____________________；
2.DH段玻璃罩内CO2浓度下降的原因是____________________；
3.HI段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是_____________________；
4.光合速率等于呼吸速率的点是_______；
5.经过一昼夜的时间，该植物是否生长？____。判断的依据是
_______________________________________________________________________。
光合速率＜呼吸速率
光合速率＜呼吸速率
光合速率＞呼吸速率
D、H
是
I和A点相比，玻璃罩内CO2浓度减少，减少的CO2转化成有机物积累在植物体内
如图是密闭玻璃罩内的植物一天中光合速率的变化曲线图。
【典型曲线分析---拓展应用】
补充
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；
总光合速率是净光合速率的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
【典型曲线分析---拓展应用】
补充
1.光合速率的测定方法——气体量变化法
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
补充
2.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。
补充
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
课堂小结：
课堂练习
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（ ）
A. 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
课堂练习
2.(2023·广东省·单元测试)图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时，单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化，图乙表示蓝藻光合作用速率与光照强度的关系。有关说法正确的是（ ）
A. 图甲中，光照强度为b时，光合作用速率等于呼吸作用速率
B. 图甲中，光照强度为d时，单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2
C. 图乙中，当光照强度为X时，细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体
D. 图乙中，限制a、b、c点光合作用速率的因素主要是光照强度
B
课堂练习
3.(2023·广东省·单元测试)将某绿色植物放在特定的实验装置中，研究温度对光合作用与呼吸作用的影响（其余条件适宜且相同），以CO2的吸收与释放量为指标，实验的结果如下表所示，下列对该表数据的分析正确的是（ ）
A. 在连续光照的情况下，该植物在35℃条件下不能生长
B. 在连续光照的情况下，25℃时该植物一天积累的有机物最多
C. 每天光照与黑暗时间相等，且白天与夜晚温度不变，25℃时该植物一天积累的有机物最多
D. 每天光照与黑暗时间相等，且白天与夜晚温度不变，30℃与35℃条件下一天积累的有机物相等
B

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