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5.4光合作用与能量转化
二：光合作用的原理和应用
第5章 细胞的能量供应和利用
绿色植物通过叶绿体，利用光能，把CO2和H2O转化成储存能量的有机物，并释放出O2的过程。
定义：
光合作用总反应式：
CO2+H2O
叶绿体
光能
（CH2O ）+ O2
一、光合作用的原理
离体叶绿体悬浮液中加入铁盐，光照下可释放O2
CO2中C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，甲醛缩合成糖
1.探究光合作用原理的部分实验
甲醛对植物有毒害；甲醛不能转化成糖
19世纪末
1937年
希尔
1941年
鲁宾、卡门
1954年
阿尔农
1928年
1957年
阿尔农
20世纪40年代
卡尔文
一、光合作用的原理
希尔实验是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？
希尔实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？
不能说明。实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接观察到氧元素的转移。
能够说明。希尔实验中没有合成糖类的原料CO2，因此，可以说明水的光解并非必须与糖的合成相联系，意味着希尔反应是相对独立的反应阶段。
一、光合作用的原理
补充：鲁宾和卡门实验
实验思路：用同位素示踪法来研究物质的去路
光合作用产生的O2中的O来源于H2O，而不来源于CO2
实验过程及现象：
CO2
H218O
光照射下的
小球藻悬液
C18O2
H2O
18O2
O2
实验结论
一、光合作用的原理
离体叶绿体悬浮液中加入铁盐，光照下可释放O2
同位素示踪法，证明O2来自水
CO2中C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合成甲醛，甲醛缩合成糖
1.探究光合作用原理的部分实验
甲醛对植物有毒害；甲醛不能转化成糖
光照下，叶绿体可合成ATP
ATP合成与水的光解相伴随
19世纪末
1937年
希尔
1941年
鲁宾、卡门
1954年
阿尔农
1928年
1957年
阿尔农
20世纪40年代
卡尔文
CO2中的C进入有机物中
一、光合作用的原理
卡尔文实验
用14C标记的14CO2供小球藻进行光合作用，追踪检测其放射性
14CO2→14C3→(14CH2O)
反应
时间
30秒
5秒
＜1秒
带14C标记的
化合物
很多种
14C3、14C6
90% 14C3
实验结论：
实验方法：
放射性同位素示踪法
实验变量：
自变量是 ，因变量是 。
时间
14C标记的化合物的种类
CO2中的C进入有机物中。
划分依据:反应过程是否需要光能
光反应在白天可以进行吗？夜间呢？
暗反应（又称碳反应）在白天可以进行吗？夜间呢？
有光才能反应
有光、无光都能反应
2.光合作用的过程
一、光合作用的原理
叶绿体
中的色素
光能
H2O
H+
O2
直接释放到空气中
在暗反应中做还原剂、供能
为暗反应阶段提供能量
光反应阶段:
水在光下分解
ADP+Pi
ATP
酶
2.NADPH的合成
1.水的光解
3.ATP的合成
NADP+
NADPH
类囊体薄膜
水的光解：
ATP的合成：
条件：
场所：
物质变化：
能量变化：
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能
ADP+Pi+光能 ATP
酶
酶
光、
色素、
、水
光反应阶段:
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
光、色素
酶
H2O 1/2O2 +2H++2e-
NADP＋＋H+＋2e-→NADPH
NADPH的合成：
2C3
CO2
C5
还
原
（CH2O）
暗反应阶段：
还原剂、供能
NADPH
固
定
1.CO2的固定
2.C3的还原
酶
ADP+Pi
多种酶参加催化
NADP+
ATP
供能
卡尔文循环
叶绿体基质
CO2的固定：
CO2 + C5 2C3
酶
C3的还原：
条件：
场所：
物质变化：
能量变化：
ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
NADPH、
多种酶、
ATP、CO2、
2C3 （CH2O）+ C5+H2O
酶、ATP
NADPH
暗反应阶段：
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
多种酶
(CH2O)
CO2
2H2O
O2
光解
固定
还原
光反应阶段
（叶绿体类囊体薄膜）
暗反应阶段
（叶绿体基质）
光合作用总过程：
NADPH
NADP+
叶绿体
中的色素
可见光
光反应与暗反应的比较
反应阶段
反应部位
反应条件
物质变化
能量变化
产 物
联 系
光合作用实质
光反应
暗反应
类囊体薄膜上
叶绿体基质
必须有光、光合色素、酶
有光或无光均可，多种酶
光能→ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能→稳定的化学能
NADPH、ATP、O2
ADP、Pi 、（CH2O ） 、C5、NADP+
光反应为暗反应提供ATP和[H]，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+
把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来
2
4
4
2
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）
H2O → O2
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
当条件改变时，C3、C5、ATP、NADPH含量变化
条件
C3
C5
ATP和
NADPH
停止光照，
CO2供应
不变
突然光照；
CO2供应
不变
光照不变
停止CO2
供应
光照不变
CO2大量
供应
增加
减少
减少
减少
增加
增加
减少
增加
增加
增加
减少
减少
规律:C3与C5、ATP和
NADPH含量变化相反
影响光合作用的因素有哪些？
CO2＋H2O （CH2O）＋O 2
光能
叶绿体
内因
酶的种类、数量
色素的含量
叶龄不同
光照强度
CO2的浓度、H2O
矿质元素（Mg合成叶绿素）
温度
外因
二、光合作用原理的应用
1、光照强度
A点：只进行呼吸作用
B点：光补偿点；光合作用=呼吸作用
C‘点：光饱和点
C点之前限制因素是光照强度，
C点之后限制因素是CO2 、温度等
AB段：光合<呼吸
BC段：光合>呼吸
应用：合理密植，间作套种，适当剪枝
光补偿点
光饱和点
C，
呼吸速率
净光合速率
总光合速率
光照强度
光合速率
光饱和点
A
B
二、光合作用原理的应用
O2
吸
收
量
0
O2
释放
量
光照强度
·
·
·
A
B
C
O2
CO2
（A：只呼吸，无光合）
O2
CO2
O2
CO2
（AB：光合<呼吸）
........
.
O2
CO2
（B：光合=呼吸）
........
.
O2
CO2
CO2
O2
（BC：光合>呼吸）
二、光合作用原理的应用
2、CO2浓度
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.“正其行，通其风”
a
CO2补偿点
CO2饱和点
C02浓度
C
m和A点：表示进行光合作用所需CO2的最低浓度；
二、光合作用原理的应用
光合作用速率
一定时间内，单位面积CO2等原料的消耗量或O2、(CH2O)等产物生成量来表示。
真正光合速率 = 净光合速率 + 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
=
=
=
+
+
+
二、光合作用原理的应用
1、温度直接影响酶的活性
2、温度过高影响气孔开放，影响CO2的供应，进而影响暗反应，从而影响光合速率。
光合作用强度
O
时间：盛夏
A
7 10 12 14 18
3、温度
应用：温室栽培时，白天可适当提高温度， 夜间适当降低温度
适时播种 ； A点：植物“光合午休”现象
二、光合作用原理的应用
4、水分和矿质元素
①原理
a.水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的
介质，还影响气孔开放影响CO2吸收量从而影响光合速率
b.矿质元素通过影响叶绿素等相关化合物的合成，
对光合作用产生直接或间接的影响。
②应用：
合理灌溉和合理施肥。
经典考题：施肥的同时，往往适当浇水，小麦的光合速率会更大，此时浇水的原因是_______________________________________________________
________________________________________________________________。
肥料中的矿质元素只有溶解在水中才能被作根系吸收。同时可以保证小麦吸收充足的水分，保证叶肉细胞中CO2的供应
5、多因子变量对光合速率的影响
二、光合作用原理的应用
一昼夜中植物代谢强度变化曲线
（1)甲图中，光合速率等于呼吸速率的点是 。
D、H
AD段: CO2浓度上升，
DH段: CO2浓度下降，
HI段: CO2浓度上升，
光合速率<呼吸速率；
光合速率>呼吸速率;
光合速率<呼吸速率.
有机物积累最多的点：H
一昼夜中植物代谢强度变化曲线
(2)图甲中BC段变化的原因是 。
由于温度下降，呼吸酶活性降低，呼吸速率有所下降，CO2释放
速率下降
起因
结 果
逻辑关系（媒介）
呼吸酶
活性降低，
温度下降
CO2释放
速率下降
呼吸速率
降低，
即
一昼夜中植物代谢强度变化曲线
(3)图甲中FG段变化的原因是 。
由于温度上升，部分气孔关闭，CO2吸收减少，光合速率下降。
起因
结 果
逻辑关系（媒介）
CO2吸收
减少，
温度
上升
光合速率
降低，
即
部分气孔
关闭
CO2吸收
速率下降
(4)甲图中I点低于A点，植物一昼夜表现为生长，其原因是 。
一昼夜中植物代谢强度变化曲线
I点低于
A点
总光合量
大于总呼吸量，
密闭容器中CO2浓度降低，
植物
生长
有机物
积累，
I点低于A点,说明容器中的CO2浓度降低，植物的总光合量大于总呼吸量，积累有机物，因此植物表现为生长。
探究环境因素对光合作用的影响
影响光合作用强度的因素
植物自身因素：
环境因素对光合作用的影响
①光照
②温度
③CO2浓度
④水分
探究环境因素对光合作用强度的影响
因变量：光合作用强度
观测指标：用单位时间叶圆片上浮的数量代表光合强度
自变量：光照强度、CO2浓度、温度等
LED灯与装置的距离或者灯泡的瓦数
如何控制无关变量？如圆片及其初始状态
结果？
光反应：叶绿体的数量、色素含量等；暗反应：酶的数量
三、探究环境因素对光合作用的影响
实验目的：探究光照强度对光合作用强度的影响
实验材料：
1、取叶片均分三组，进行编号
2、相同处理：
3、不同处理：给予低、中、高的光照
圆形的生长旺盛的绿色小叶片
用注射器排除叶片中的气体；
放入适宜浓度的NaHCO3溶液中
实验步骤：
三、探究环境因素对光合作用的影响
实验：探究环境因素对光合作用的影响
项目　 　 烧杯　 　 小圆形叶片 加富含CO2 的清水 光照强度 叶片浮起数量
1 10片 20 mL 强 多
2 10片 20 mL 中 中
3 10片 20 mL 弱 少
细胞间隙积累O2，
浮力增大
实验结果：
在一定的浓度范围内，光合作用速率随光照强度的增大而加快；超过一定强度光合作用趋于稳定。
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。
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+ 能量
硝化细菌
6CO2+12H2O C6H12O6+ 6O2+6H2O
能量
除了硝化细菌外，自然界还有铁细菌、硫细菌属于进行化能合成作用的自养生物。
三、探究环境因素对光合作用的影响
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。（可以利用无机物制造有机物）
只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
结合之前学习的关于自养生物和异养生物的知识，对这两种生物进行详细分析。
a点：温度降低， 减弱，
CO2释放减少。
b点：开始进行 。
bc段：光合作用 细胞呼吸。
c点：光合作用 细胞呼吸。
ce段：光合作用 细胞呼吸。
d点： 过高，部分或全部气孔关闭，出现“午休现象”。
e点：光合作用 细胞呼吸。
ef段：光合作用 细胞呼吸。
fg段：停止 ，只进行 。
呼吸
光合作用
小于
等于
大于
温度
等于
小于
光合作用
呼吸作用

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