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本节聚焦:
光合作用是怎样进行的？
光合作用过程中物质变化与能量转化有什么关系？
光合作用原理在生产中有哪些应用？
第4节 光合作用与能量转化
第二课时：光合作用的原理和应用
必修1分子与细胞/第5章/细胞的能量供应和利用/
类囊体
色素
酶
温故知新
在叶绿体内部类囊体的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，
在类囊体薄膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
叶绿体是绿色植物进行光合作用的细胞器。
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。
光合作用的概念
CO2 + H2O （CH2O) + O2
光能
叶绿体
一、光合作用的原理
6CO2 + 12H2O
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
光能
叶绿体
光合作用的原料、产物、场所和条件有什么？
注：（CH2O）表示糖类，
光合作用产物一部分是淀粉，一部分是蔗糖.(P104)
叶绿体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？
一、光合作用的原理
探究光合作用原理的部分实验
19世纪末，科学家普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C和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。
1937年，（英）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。
水的光解产生氧气。
探究光合作用原理的部分实验
4Fe3+ + 2H2O 4Fe2+ + 4H+ + O2
光能
叶绿体
结论：
离体的叶绿体
悬浮液
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。
O2
H+
能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有水，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、 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。
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？
探究光合作用原理的部分实验
1941年，（美）鲁宾和卡门用同位素示踪法，研究了光合作用中氧气的来源。
探究光合作用原理的部分实验
CO2
H218O
C18O2
H2O
18O2
O2
光照射
左为18O2，右为O2。
用同位素标记来研究物质的去路
小球藻
用18O分别标记CO2和H2O，给予光照。
相互对照（即对比实验）
实验思路：
材 料：
处 理：
结 果：
如何对照：
光合作用释放的氧气中的氧元素全部来自水，而并不来源于CO2。
讨论
3.分析鲁宾和卡门的实验，你能得出什么结论？
探究光合作用原理的部分实验
1954年，（美）阿尔农等用离体的叶绿体做实验：在给叶绿体照光时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi等物质时，体系中就会有ATP出现。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
在光照时，叶绿体中生成了ATP。
结论：
讨论
4.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系：
H2O O2 + 2H+ （NADPH） + 能量
光照
叶绿体
ADP + Pi ATP
探究光合作用原理的部分实验
1946年开始，(美)卡尔文等用放射性同位素14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C是如何转化为有机物中的碳的。称为卡尔文循环(P104)
光照射下的
小球藻悬液
14CO2
H2O
O2
（14CH2O）
CO2
C3
(CH2O)
C5
光合产物中有机物的碳来自CO2
结论：
情境1：向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物，有三碳化合物（C3）、五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)。
情境2：反应进行到5秒光照时，卡尔文等检测到同时含有放射性的C5化合物和C6化合物。缩短工作时间到几分之一秒时，90%以上的放射性14C集中在一种C3化合物上。
一、光合作用的原理
1.光合作用的原理
光合作用过程是否需要光能划分：光反应和暗反应（碳反应）。
一、光合作用的原理
1.光合作用的原理
光反应阶段
光合作用第一阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。
光、色素、酶
叶绿体的类囊体薄膜上
①水的光解：
③ATP的合成：
H2O 1/2O2 +2H+ + 2e-
光能
②NADPH的合成：
2e- + H+ + NADP+ NADPH (还原剂)
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
H2O
水在光下分解
O2
NADPH
ADP+Pi
ATP
光能
一、光合作用的原理
1.光合作用的原理
暗反应阶段
光合作用第二阶段的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。
场 所：
条 件：
物质变化:
能量变化:
NADPH
供氢
供能
酶
ATP(供能)
ADP+Pi
CO2
C5
2C3
(CH2O)
还原
固定
多种酶
参加催化
淀粉、蔗糖
酶
叶绿体的基质中
NADPH 、ATP、酶、CO2
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
有机物中稳定的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能
2C3 (CH2O) + C5
ATP
NADPH NADP+
ADP+Pi
酶
糖类
光反应与暗反应的区别和联系
讨论
1.光反应与暗反应在所需条件、进行场所、发生的物质变化和能量转化等方面有什么区别？
比较项目 光反应 暗反应
场 所
条 件
物质变化
能量变化
联 系
类囊体薄膜上
叶绿体的基质
需光,色素和酶
不需光,色素;需酶、ATP、NADPH
H2O ─→ 1/2O2+2H++2e-
光解
ADP+Pi+能量─→ATP
酶
CO2+ C5 ─→ 2C3
酶
2C3 ─ ─→ (CH2O)+C5
ATP、[H] 酶
有机物中的稳定的化学能
光能 ATP和NADPH中活跃的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH，
暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+
2e- + H+ + NADP+ NADPH
光反应与暗反应的区别和联系
讨论
2.光反应和暗反应在物质变化和能量转化方面存在什么联系？
物质方面：光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+。
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。
①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量。
思考1：NADPH和ATP的移动途径是什么？
从类囊体薄膜到叶绿体基质。
思考2：NADP+和ADP的移动途径呢？
从叶绿体基质到类囊体薄膜。
思考3：NADPH的作用？
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
光反应与暗反应的区别和联系
思考4：光合作用中元素的转移。
多种酶
参加催化
H2O
水在光下分解
O2
NADPH
ADP+Pi
ATP
光能
供氢、供能
CO2
C5
2C3
(CH2O)
还原
固定
光反应与暗反应的区别和联系
课堂小结：光合作用过程图解
光反应阶段
（叶绿体类囊体薄膜）
暗反应阶段
（叶绿体基质）
淀粉、蔗糖
2.光合作用的意义
一、光合作用的原理
①把无机物合成有机物，不仅是自身的营养物质,而且是人和动物的食物来源；
②将光能转换成化学能，贮存在有机物中，提供了生命活动的能量来源；
③维持了大气成分的基本稳定。
二、光合作用原理的应用
植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
光合作用强度：
探究环境因素对光合作用强度的影响
CO2+H2O （CH2O）+O2
光能
叶绿体
(色素、酶）
①Mg、N等矿质元素；
②酶的活性受温度等影响。
光照强度、光质（光的波长）、光照时间；
CO2的浓度
①作为反应物和反应的媒介；
②水分→气孔关闭→CO2供应
实验原理
探究光照强度对光合作用强度的影响
实验目的
探究光照强度对光合作用强度的影响
叶片细胞间隙含有空气(上浮)
抽气
叶片细胞间隙
充满水(下沉)
光合作用产生O2
根据单位时间小圆形叶片浮起的数量的多少，探究光照强度与光合作用强度的关系。
叶片细胞间隙
充满O2(上浮)
探究光照强度对光合作用强度的影响
材料用具
注射器(排出圆形小叶片中的气体)
绿叶、打孔器(打出圆形小叶片)
5W LED台灯(不同瓦数的灯或相同瓦数台灯离实验装置的距离——光照强度)
变量分析
光照强弱
光合作用强度(相同时间小圆形叶片浮起的数量)。
自变量：
因变量：
无关变量：
如温度、CO2等，要求相同且适宜。
（温度，用中间的盛水玻璃柱吸收热量排除干扰）
探究光照强度对光合作用强度的影响
方法步骤
1.打孔：取生长旺盛绿叶，用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片。
2.将圆形小叶片置于注射器内。吸入清水，排出注射器中空气，堵住前端小孔，抽出叶片内气体。重复2-3次。
3.将处理过的圆形小叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。
探究光照强度对光合作用强度的影响
方法步骤
4.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水(1%～2%的NaHCO3溶液)。
5.向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，分别置于强、中、弱光下(用5W的LED灯为光源，通过改变小烧杯与光源距离来调节光照强度)。
探究光照强度对光合作用强度的影响
方法步骤
6.观察并记录同一时间内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量
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
2 10片 20 mL
3 10片 20 mL
在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。
实验结论
强
中
弱
多
中
少
影响光合作用的环境因素及应用
阴生 阳生
光饱和点
光补偿点
呼吸强度
低
高
低
高
低
高
D
D
暗
C3
CO2饱和点:植物达到光合作用最大值所需要的最小CO2浓度。
C
C’
例：科学家在人工气候室中研究CO2浓度对两种植物（A和B）光合作用强度的影响。下图为实验结果。
(1) a点时，A植物叶肉细胞中产生ATP的场所有 ；
(2)若降低光照强度，B植物 b 点将向 移，
原因是 ；
(3)据图分析，A植物固定CO2的能力 （填“大于”、“小于”或“等于”）B植物，判断理由是 。
细胞质基质、
线粒体、
类囊体薄膜
左下
光照强度降低，光反应提供ATP和[H]的速率下降，引起暗反应固定CO2的速率下降，导致总光合速率下降。
大于
与B植物相比，A植物能利用更
低的CO2浓度进行光合作用
E
F
G
1.图甲表示植物在不同光照强度下单位时间内CO2释放量和O2产生总量的变化。图乙表示植物光合速率与光照强度的关系曲线。假设不同光照强度下细胞呼吸强度相等，下列说法正确的是（　　）
趁热打铁
A.若图甲代表水稻，图乙代表蓝藻，则图甲的c时与图乙的C时细胞中产生ATP的场所都有细胞质基质、线粒体和叶绿体
B.若图甲与图乙为同一植物，则相同温度下，图甲的b相当于图乙的B点
C.图甲植物在d时单位时间内细胞从周围环境吸收2个单位的CO2
D.图乙的A、B、C点光合作用限制因素只有光照强度
酶的活性
增大
最适
减小
温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱
降低
例：以测定的CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响，结果如图所示。下列分析正确的是
A.光照相同时间，35 ℃时光合作用制造的有机物的量与30 ℃时相等
B.光照相同时间，在20 ℃条件下植物积累的有机物的量最多
C.温度高于25 ℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少
D.两曲线的交点表示光合作用制造的与呼吸作用消耗的有机物的量相等
净光合量
呼吸量
5、水
说明:
O～A：自由水太少，细胞代谢极其微弱
A～B：随着自由水含量的增加，细胞代谢开始加快，光合速率也随之加快。
B～C：水太多，影响了细胞的呼吸作用，代谢速率会下降。
应用：有收无收在于水，及时、合理的灌溉。
O
水
光合速率
A
C
B
水是光合作用的原料，缺水可直接影响光合作用，使光合作用减弱。缺水→气孔关闭→CO2供应减少间接影响光合作用。但水过多时，影响细胞呼吸作用，能量减少，细胞吸收的离子等减少，光合作用减慢。
o
6、叶龄
说明:
O～A：幼叶阶段。随幼叶的不断生长，叶面积增大，叶绿体增多，叶绿素含量增加，光合速率增加。
A～B：壮叶阶段。叶片面积、叶绿体和叶绿素都处于稳定状态，光合速率稳定。
B～C：老叶阶段。随叶龄的增加，叶绿素被破坏，光合速率也随之下降。
应用：
适时摘除老叶、黄叶，降低细胞呼吸，减少有机物的消耗，有利于有机物的积累。
O
叶龄
光合速率
C
B
A
7
8
三、化能合成作用
能够利用体外环境中的NH3氧化时所释放的能量来制造有机物 。
电子显微镜下的一种硝化细菌
(放大5000倍)
在自然界中，除了光合作用，还有另外一种制造有机物的方式。能利用环境中的某些无机物氧化分解时所释放的能量来制造有机物。即化能合成作用。
硝化细菌：
2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + 能量
硝化细菌
6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
酶
2HNO2 + O2 2HNO3 + 能量
硝化细菌
归纳：自养生物与异养生物
自养生物：
以无机物转变成为自身的组成物质(利用CO2制造有机物)。
①光能自养型：
例如：绿色植物、光合细菌等。
②化能自养型：
例如：硝化细菌、铁细菌、硫细菌等。
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。
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）。
只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。
异养生物：
例如：人、动物、营腐生、寄生生活的细菌和真菌等。
归纳：外界条件变化时NADPH、ATP 、C3、C5、(CH2O)的变化
条件 NADPH、ATP C3 C5 (CH2O)
光照不变，CO2减少
光照不变，CO2增加
光照增强，CO2不变
光照减弱，CO2不变
增加
减少
增加
减少
增加
减少
增加
减少
增加
减少
增加
减少
减少
增加
增加
减少
②模型法
C5、 NADPH、 ATP
C5、 NADPH、 ATP
C5、 NADPH、 ATP
C5、 NADPH、 ATP
D
改变的条件 A B E D C
缺镁
CO2 减少
温度30℃
阴生植物
不变
右移
下移
不变
右移
下移
已知阳生植物光合作用的最适温度为25℃，呼吸作用的最适温度为30℃，下图表示该植物在25℃时光合作用强度与光照强度的关系。改变某条件时，其它条件不变。
下移
右移
下移
上移
左移
下移
归纳：点的移动问题
左下
左下
左下
左下
E
左移
左移
左移
左移
补充：开放环境与密闭容器中光合作用的昼夜曲线变化分析
双峰曲线图
CO2吸收速率
a
b
c
d
f
e
g
0
时间
6
8
10
12
14
16
18
20
开始进行光合作用的点：
光合作用速率最大的点：
光合=呼吸的点：
开始积累有机物的点：
b
d
c、g
c
积累有机物最多的点：
g
O2释放速率
a
b
c
d
f
e
g
6
8
10
12
14
16
18
20
de段下降原因：
ab波动原因：
温度变化对细胞呼吸酶活性有影响；
温度过高，气孔关闭，CO2供应不足，导致光合速率下降,；
时间
双峰曲线图
双峰曲线图
O2释放速率
a
b
c
d
f
e
g
0
时间
6
8
10
12
14
16
18
20
一午休，两补偿
正轴累计负轴偿
前补偿，累计始
后补偿，累计终
（1）曲线图中a点形成的原因是___________________________，绿色植物光合作用强度等于呼吸作用强度的时刻是______点，此时叶肉细胞的光合作用强度_______呼吸作用强度．
（2）d点形成的原因是__________________________________，此时叶肉细胞中产生ATP的场所有_______________________．
凌晨3时～4时，温度降低，呼吸作用减弱，CO2释放减少
c、e
温度过高，部分气孔关闭，CO2吸收减少，出现“午休”现象
细胞质基质、线粒体、叶绿体
大于
例：夏季的一天中CO2吸收和释放变化曲线图，请据图分析回答下列问题：
D
练习与应用(P106)
一、概念检测
1.依据光合作用的基本原理，判断下列相关表述是否正确。
(1)光合作用释放的氧气中的氧元素来自水。（ ）
(2)光反应只能在光照条件下进行，暗反应只能在黑暗条件下进行。（ ）
(3)影响光反应的因素不会影响暗反应。（ ）
√
×
×
练习与应用(P106)
一、概念检测
2.如果用含有14C的CO2来追踪光合作用中碳原子的转移途径，则是（ ）
A.CO2 → 叶绿体 → ADP
B.CO2 → 叶绿体 → ATP
C.CO2 → 乙醇 → 糖类
D.CO2 → 三碳化合物 → 糖类
D
练习与应用(P106)
一、概念检测
3.根据光合作用的基本过程填充下图。
叶绿体中
的色素
ATP
NADPH
ADP+Pi
2C3
C5
NADP+
O2
练习与应用(P106)
二、拓展应用
1.下图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答问题。
光照强度逐渐增大
此时温度很高，导致气孔大量关闭，CO2无法进入叶片组织，致使光合作用暗反应受到限制。
光照强度不断减弱
(1)7-10时的光合作用强度不断增强的原因是：
(2)10-12时左右的光合作用强度明显减弱的原因是：
(3)14-17时的光合作用强度不断下降的原因是：
光照强度、温度
可以利用温室大棚控制光照强度、温度的方式，如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等，提高绿色植物光合作用强度。
(4)从图中可以看出，限制光合作用的因素有:
(5)依据本题提供的信息，提出提高绿色植物光合作用强度的一些措施。
练习与应用(P106)
二、拓展应用
1.下图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答问题。
练习与应用(P106)
二、拓展应用
2.在玻璃瓶底部铺一层潮湿的土壤，播下一粒种子，将玻璃瓶密封，放在靠近窗户能照到阳光的地方，室内温度保持在30℃左右。不久，这粒种子萌发长成幼苗。你能预测这株植物幼苗能够生存多长时间吗？如果能，请说明理由。如果不能，请说明你还需要哪些关于植物及其环境因素的信息。
植物的生活需要水、无机盐、阳光、适宜的温度、空气(含有二氧化碳)，从给出的信息可以看出，植物生长的基本条件都是满足的，因此，只要没有病虫害等不利因素，这株植物(幼苗)就能够生存一段时间。
但究竟能够生存多长时间，涉及的问题很多。潮湿的土壤含有水分，植物根系吸收水分后，大部分可通过蒸腾作用散失到空气中，由于瓶是密闭的，散失到空气中的水分能够凝结，回归土壤供植物体循环利用。
练习与应用(P106)
二、拓展应用
但是，随着植株的生长，越来越多的水分通过光合作用成为有机物的组成部分，尽管有机物能够通过呼吸作用释放出二氧化碳和水(这些水既可以散失到空气中回归土壤，也可以在叶片细胞中直接用于光合作用)，毕竟有机物是不断积累的，这意味着回归到土壤的水分会越来越少，有可能成为影响植物生存的限制因素，因此，要预测植物生存的时间，需要知道土壤含水量和植物体内有机物积累速率等信息。
土壤中的无机盐被植物根系吸收以后，绝大部分成为植物体的组成成分(少量可能随落叶归还土壤)，因此难以循环利用，但植物对无机盐的需要量是很少的，土壤中无机盐到底能满足植物体生长多长时间的需要与土壤的多少土壤中各种无机盐的含量，植株的大小等有关，这些信息是任务提示中没有给出的，因此不能从这方面做出准确预测，
但是随着植株的生长，有机物会不断积累，这意味着中空气所含的二氧化碳会逐渐减少要预测瓶中二氧化碳能维持植物体生存多长时间，还需要知道瓶中二氧化碳总量、植物体光合速率呼吸速率或有机物积累速率等信息。
练习与应用(P106)
二、拓展应用
从给出信息可知,在阳光和温度方面不存在制约瓶中植物生存的问题。二氧化碳是植物进行光合作用必需的原料之一瓶中的二氧化碳通过植物的光合作用被植物体利用,转化为有机物。有机物通过植物的呼吸作用分解成二氧化碳和水，可见二氧化碳在植物体和瓶中空气之间是可以循环的。
上述推理大多是建立在植物体不断生长基础上的，这是因为玻璃瓶容积小，植物幼苗正在处于生长期。此外，瓶中植物生存时间的长短,还与植物的种类有关。如果是寿命很短的某种草本植物，即使瓶中各种条件长久适宜，植物生存的时间也不会长。

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