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(共83张PPT)
5.4 光合作用与能量转化
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？
用人工光源可以避免由于自然环境中光照强度不足导致的减产。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。
二氧化碳浓度、营养液成分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。
在植物工厂里，人工光源可以为植物的
生长源源不断地提供能量，在自然界，万物
生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化，
是生物圈得以维持运转的基础。
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的
生物学途径。因此，有人称光合作用是“地
球上最重要的化学反应”。
那么，植物捕获光能需要依靠的物质和结构是什么呢？
H2O
CO2
C6H12O6 O2
绿色植物能够捕获光能
1.结构
_____
______：由_________堆叠而成
2.功能：进行____________的场所。
双层膜
基质
基粒
类囊体
光合作用
3.物质基础
在类囊体薄膜表面上，分布着许多吸收光能的____________。
在_____________上和______________中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
色素分子
类囊体膜
叶绿体基质
叶绿体基质
一、叶绿体的结构
植物的叶片多数是绿色的，说明其中
有绿色的色素。玉米中有时会出现白化苗。
白化苗由于不能进行光合作用，待种子中
贮存的养分耗尽就会死亡。
证明：
光合作用需要色素
绿叶中的色素可能与光能的捕获有关
绿叶中的色素究竟有哪些呢？都参与植物的光合作用吗？
正常玉米植株和白化玉米植株
二、捕获光能的色素
叶绿素
类胡萝卜素
（含量约3/4）
（含量约1/4）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
（一）种类：
（二）功能：
吸收、传递、转化光能
叶绿素的特点：合成是需要Mg2+和光照条件；
低温和酸性条件下易分解。
叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
红橙黄绿青蓝紫
都是可见光
（三）叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱
400
500
600
700
波长/nm
叶
绿
素
a
叶
绿
素
b
类胡萝卜素
吸收光能的百分比
叶绿素主要吸收
类胡萝卜素主要吸收
树叶为什么是绿色？
红光和蓝紫光
蓝紫光
叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射回来，所以叶片才呈现绿色。
（一）原理
1. 提取原理:绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂_______________中。
2. 分离原理:各种色素在___________中的__________不同,溶解度高的随层析液在滤纸条上的_____________,反之则慢。
无水乙醇
层析液
溶解度
扩散更快
探究·实践：绿叶中色素的提取和分离
提取的方法：
分离的方法：
纸层析法
用无水乙醇提取
（二）步骤：
1、提取绿叶中的色素
（2）加入少许SiO2和CaCO3，
再加入10mL无水乙醇，研磨
（3）将研磨液迅速倒入玻璃漏斗（漏斗基部放一块单层尼龙布）进行过滤。将滤
液收集到试管中，及时用棉塞将试管口塞严。
(防止乙醇挥发和色素氧化)
SiO2
使研磨更充分
CaCO3
防止叶绿素被破坏
无水乙醇
溶解色素
（1）称取5g菠菜叶，剪去主叶脉，
剪碎，放人研钵中。
剪碎
加乙醇
研磨
过滤
滤液
2.制备滤纸条
干燥的定性滤纸
避免层析液在边缘扩散过快（边缘效应），使其同步到达细线
将滤纸剪成能放入烧杯中的滤纸条
在滤纸条一端剪去两角
在距去角一端1 cm处用铅笔画一条细的横线
铅笔线
剪两角
3.画滤液细线
将滤液倒入培养皿，用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀画出一条细线。
等滤液干后再画一到两次。
为了积累更多的色素，
使分离后的色素带更明显
★要求：细、直、齐 ；重复2—3次
4.分离绿叶中的色素
将滤纸条有滤液细线的一端插入_____________。
注意事项：
1、为何滤液细线不能触及层析液？
2、为何要盖上培养皿？
防止色素溶解在层析液中
防止层析液挥发，因其易挥发且有毒
层析液
思考：
如果将色素滤液点在圆形滤纸的中央，色素带从外至内是？
5.实验结果
6.结果分析
①色素带的条数与色素种类有关
②色素带的宽窄与色素含量有关
③色素带的位置与溶解度大小有关
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？
拓展应用 教材P101
绿藻：反射绿光
红藻：反射红光
褐藻：反射黄光
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的光，
因此，吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，
吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水的深层。
分析：为什么植物春夏叶子翠绿 而深秋则叶片金黄呢？
由于叶绿素的含量大大超过类胡萝卜素，而使类胡罗卜素的颜色被掩盖，只显示出叶绿素的绿色。
低温使叶绿素大量破坏，而使类胡萝卜素的颜色显示出来。
当温度低于7 ℃时，树叶中会生成花青素(存在于液泡，不用于光合作用)。
与生活的联系
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二级
三级
四级
五级
1．影响叶绿素合成的因素
(1)光照：光是叶绿素合成的必要条件。
(2)温度：低温抑制叶绿素的合成，破坏已有的叶绿素分子，
从而使叶片变黄。
(3)镁等无机盐：镁是构成叶绿素的重要成分，缺镁叶片变黄。
拓展应用
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二级
三级
四级
五级
2．不同颜色温室大棚的光合效率
(1)在农业生产中，温室大棚应使用无色透明的塑料薄膜或玻璃，因为它们能让所有的光都透过，效果最好。
(2)若为大棚内植物补充光照，应选择补充红光或蓝紫光，因为相同强度的红光或蓝紫光，比白光的光合作用强度要高。
(3)叶绿素对绿光吸收最少，因此使用绿色塑料薄膜或玻璃的温室大棚光合效率最低。
光合作用的 物质和结构基础 小结：
类囊体
色素
酶
温故知新
叶绿体是绿色植物进行光合作用的细胞器。
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？
三、光合作用的原理
绿色植物通过 ，利用 ，将 转
化成 ，并且释放出 的过程。
（一）概念：
叶绿体
光能
二氧化碳和水
储存着能量的有机物
氧气
（二）总反应式：
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)
CO2 + H2O （CH2O) + O2
光能
叶绿体
若直接产物是C6H12O6，反应式？
（三）光合作用的过程
根据是否需要____________，这些化学反应可以概括地分为____________和_____________（碳反应/卡尔文循环）两个阶段。
光能
光反应
暗反应
光合作用过程示意图
1.光反应
（1）条件：
光、色素、多种酶
（2）场所：
类囊体薄膜
（3）物质转化
水的光解：
ATP的合成：
2H2O 4O2 + H+ + 2e-
光
光能
（4）能量转化:
ATP、NADPH中活跃的化学能
ADP + Pi + 光能 ATP
酶
NADPH的合成：
NADP+ + H+ + 2e- NADPH
酶
类囊体薄膜
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
H+
NADPH
酶
（氧化型
辅酶Ⅱ）
（还原型
辅酶Ⅱ）
光反应过程示意图
2.暗反应
（1）条件：
（2）场所：
叶绿体基质
多种酶等
CO2的固定：
C3的还原：
2C3 (CH2O) + C5
酶
ATP、NADPH
有机物中稳定的化学能
CO2＋C5 2C3
酶
（3）物质转化
ATP、NADPH中活跃的化学能
（4）能量转化：
ADP+Pi
ATP
NADP+
能量
C5
2C3
多种酶
CO2
固定
还原
酶
NADPH
酶
能量
暗反应过程示意图
3.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、酶等
多种酶等
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
光反应为暗反应提供ATP和NADPH，
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
光合作用的全过程
叶绿体
中的色素
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
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
酶
类囊体薄膜
叶绿体基质
可见光
1.NADPH和ATP的移动途径是什么？
2.NADP+和ADP的移动途径呢？
3.NADPH的作用？
从类囊体薄膜到叶绿体基质。
从叶绿体基质到类囊体薄膜。
①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量
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。
初步判断：
氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。
四、探索光合作用原理的部分实验
离体的叶绿体
悬浮液
资料2：希尔反应
1937年，英国植物学家希尔发现，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。
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+
①水的光解可以产生O2 （不能说明水O2中O来自H2O ）
②水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。
结论：
资料3：鲁宾和卡门实验
相互对照（对比实验）
同位素标记（示踪）法
光合作用释放的氧全部来自水
方法：
对照方法：
结论：
资料4：阿尔农
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。
光照
ATP
水
光解
O2
叶绿体中ATP的合成总是与水的光解相伴随
结论：
1946年开始，美国的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的去向，称为卡尔文循环。
资料5：卡尔文实验
光合产物中有机物的碳来自CO2。
结论：
方法：
同位素标记法
资料6：恩格尔曼的实验一
极细的光束
黑暗中极细的光束照射——集中于叶绿体被光束照射的部位
完全曝光——分布于叶绿体所有受光部位
水绵
需氧细菌
(1)选材：①水绵具有细长的带状叶绿体，易于观察现象。
②需氧细菌的利用，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。
(3)对照方法：极细的光束照射：自身不同部位的对照
进行黑暗(局部光照)和曝光：自身步骤上前后对照
2、恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
叶绿光合作用的产物有氧气；
叶绿体是光合作用的场所；
1、结论：恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
三棱镜
照射水绵
需氧细菌聚集在红光和蓝紫光的区域
综合上述两个资料，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。
资料6：恩格尔曼的实验二
叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光
结论：
五、光合作用过程分析
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
（一）元素的转移
（二）环境因素骤变对光合作用中各物质的影响
光反应 暗反应
NADPH、ATP
NADP+、ADP、Pi
光照强度
CO2浓度
CO2的固定：
C3的还原：
2C3 (CH2O) + C5
酶
ATP、NADPH
CO2＋C5 2C3
酶
消耗 生成
消耗 生成
分析：
CO2浓度不变 C3 C5
光照减弱
光照增强
光照不变 C3 C5
CO2浓度减少
CO2浓度增加
归纳：
C3 、C5含量变化有何特点？
（三）光反应与暗反应的关系
光反应 暗反应
NADPH、ATP
NADP+、ADP、Pi
（类囊体薄膜）
（叶绿体基质）
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
六、影响光合作用强度的因素
（一）
（二）
1、光照强度
光照强度
0
CO2吸收速率
CO2
释放
速率
A
B
C
光补偿点
光饱和点
B： 光补偿点
D：光合速率达到最大时对
应的最低光照强度
D
AB：呼吸作用>光合作用
BC：光合作用>呼吸作用
A: 只进行呼吸作用
（呼吸速率）
（光饱和点）
光合作用=呼吸作用（个体）
C：最大光合速率
光合作用>呼吸作用（叶肉细胞）
光照强度
0
CO2吸收速率
CO2
释放
速率
A
B
C
光补偿点
光饱和点
D
讨论1：
C点之前和之后限制光合作用因素分别是？
C点前：光照强度
C点后：内因：色素得多少；酶的数量、活性
外因：CO2浓度、温度等
光照强度
0
A
B
C
阳生植物
光补偿点
光饱和点
阴生植物
A1
B1
C1
D
提示：阴生植物的呼吸作用较弱，对光的利用能力也不强。
讨论2： B、C点的移动问题
CO2吸收速率
CO2
释放
速率
①缺Mg2+ ：
②阳生植物->阴生植物 ：
B向右移，C向左下移
B向左移，C向左下移
光照强度
0
CO2吸收速率
CO2
释放
速率
A
B
C
光补偿点
光饱和点
D
应用：
①合理密植、适当剪枝、间作套种；
②温室大棚适当补光；
③温室大棚塑料薄膜选择无色、
蓝色、红色透明（不能选绿色）
2、CO2浓度
CO2浓度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
D
CO2补偿点
B点：
CO2饱和点
D点：
2、CO2浓度
CO2浓度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
D
1.多施有机肥或农家肥；
2.蔬菜大棚中午通风透气。
3.正其行通其风。
应用：
讨论：C点之后光合速率的限制因素有哪些？
外因：主要为光照强度和温度，
内因：酶的数量和活性。
3、温度
O
温度
A
光合速率
B
C
原理：
温度通过影响 影响光合作用主要制约 反应。
适时播种；
温室中,白天适当提高温度,晚上适当降温，从而提高作物产量。
应用：
酶的活性
暗
生产应用：合理施肥
N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分
P：NADP+和ATP的重要组分；维持叶绿体正常结构和功能。
K：促进光合产物向贮藏器官运输
Mg：叶绿素的重要组分
生产应用：预防干旱，合理灌溉
水是光合作用的原料
水是体内各种化学反应的介质
水还影响气孔的开闭，间接影响CO2进入植物体
4、矿物质元素
5、水
应用总结：增产措施
延长光合时间
增加光合面积
温室中人工光照、提高复种指数（轮作）
合理密植、间作套种
控制光照强度
控制光质
大棚薄膜无色、人工光源红光/蓝紫光
根据阴生/阳生选择适当光源
控制温度
增大昼夜温差（新疆水果为什么甜？）
控制CO2浓度
通风、增施农家肥、使用CO2发生器
控制必需元素供应
适时施肥（含农家肥）
控制水分供应
合理灌溉
1.实验原理：
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
2.材料用具：
打孔器、5W LED台灯、米尺、烧杯、绿叶等
探究·实践：探究环境因素对光合作用的影响
3.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
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
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。
【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。】
方法步骤：
4.实验结果：
5.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
探究一：光照强度与光合作用强度的关系。
自变量：
自变量控制手段：
因变量：
因变量检测指标：
光照强度
台灯的瓦数/台灯与植物的距离
光合作用强度
相同时间小圆叶片上浮的数量
探究二； CO2浓度与光合作用强度的关系。
自变量：
自变量控制手段：
因变量：
因变量检测指标：
CO2浓度
NaHCO3溶液的浓度
光合作用强度
相同时间小圆叶片上浮的数量
七、光合作用与呼吸作用的关系
1.光合作用强度
CO2＋H2O （CH2O）＋O 2
光能
叶绿体
固定CO2的量
制造或产生有机物（糖类）量
产生O2的量
单位时间内光合作用
总光合速率 净光合速率 呼吸作用速率
有机物
CO2
O2
2.光合作用与呼吸作用的关系
真正（总）光合速率 = 净（表观）光合速率 + 呼吸作用速率
制造/合成量
固定/消耗量
产生/生成量
积累量
吸收量
释放量
消耗量
释放量
吸收量
线粒体
叶绿体
产生O2
释放O2
（可以测得）
叶肉细胞气体转移及交换示意图
CO2
吸收CO2
（可以测得）
能测量到的光合作用指标是净光合作用速率，称为表观光合速率。
注意：
3. 曲线图示
光照强度
0
CO2吸收速率
CO2
释放
速率
A
B
C
净光合速率
总光合速率
呼吸速率
只进行呼吸作用
光合作用=呼吸作用
光合作用>呼吸作用
光合作用<呼吸作用
4. 细胞图示
光合作用与呼吸作用的物质联系
有氧呼吸
第二阶段
CO2
暗反应
C6H12O6
光合与呼吸作用的能量联系
5. 光合作用强度的测定
黑暗
光照充足
①为植物的光合作用提供CO2；
②维持装置内CO2含量相对稳定。
O2释放量
O2消耗量
真正（总）光合速率 = 净（表观）光合速率 + 呼吸作用速率
a
b
=a+b
为排除物理因素对实验结果的干扰，如何设置校对装置？
（1）液滴移动法
（CO2缓冲液）
（2）半叶法
将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法(可先在叶柄基部用热水或热石蜡液烫伤或用呼吸抑制剂处理)阻止两部分的物质和能量转移。
在适宜光照下照射6小时后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合作用强度，其单位是mg/(dm2·h)。B叶片被截取部分在6小时内光合作用合成的有机物总量M＝ 。
MB－MA
（3）叶片称重法
测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量，如图所示以有机物的变化量测定光合速率
（S为叶圆片面积）
呼吸速率=
净光合速率=
总光合速率=
(x-y)/2S
(z-y)/2S
(x＋z-2y)/2S
x
y
z
将装有水和水生植物的黑、白瓶置于不同水层中，
测定单位时间内瓶中溶解氧含量的变化，
借此测定水生植物的光合速率。
如：初始瓶中溶解氧为A，黑瓶溶解氧为B，白瓶溶解氧为C，请问：
呼吸速率= =______
净光合速率= =______
总光合速率= =______
初始瓶溶解氧-黑瓶溶解氧
A-B
白瓶溶解氧-初始瓶溶解氧
C-A
白瓶溶解氧-黑瓶溶解氧
C-B
（4）黑白瓶法
九、曲线分析
CO2吸收量
CO2释放量
O
1.晴朗夏季自然环境中一昼夜CO2含量变化曲线
K
ac段:
ce段：
ef段：
（光合午休）
gk段:
ki段：
阴影面积：
d/h点：
2.密闭钟罩内一昼夜CO2含量变化曲线
AC段:
CD段：
DH段：
HI段:
D/H点：
I与A含量比较：
I少于A：
I等于A：
I多于A：
植物能否表现为生长，看净光合大小。
净光合（干物质量）
光合作用=呼吸作用
净光合作用=呼吸作用
（此时总光合作用为呼吸作用的2倍）
讨论：
A点时光合和呼吸的关系？
55℃时光合和呼吸的关系？
30 ℃条件下光照12小时，20 ℃条件下黑暗8小时， 有机物(葡萄糖)的积累量？
法①12h净光合-8小时呼吸
=12*5-8*2
法②12h总光合- 20小时呼吸
实线：光合速率曲线
虚线：呼吸速率曲线
图一
图二
图三
光合速率
图四
B
图五
十、化能合成作用
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
CO2+H2O （CH2O)+ O2
能量
讨论：进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？

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