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(共54张PPT)
第五章 细胞的能量供应和利用
光合作用与能量转化
第五章 第4节
二 光合作用的原理和应用
光合作用的原理
目录
NO.1丨捕获光能的色素
NO.2丨叶绿体的结构适于进行光合作用
NO.3丨光合作用的原理
NO.4丨光合作用原理的应用
Principle of photosynthesis
catalogue
指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将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
photosynthesis
叶绿体
光能
二氧化碳
水
氧气
有机物
场所
条件
反应物
生成物
反应简式
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Reaction formula
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？
CO2 + H2O （CH2O) + O2
光能
叶绿体
科学探究
探索光合作用原理的部分实验
19世纪末
CO2
O2
C + H2O
甲醛
（CH2O）
1928年
甲醛
不能通过光合作用转化成糖
对植物有毒
探索光合作用原理的部分实验
1937年
英国植物学家希尔
探索光合作用原理的部分实验
1937年
英国植物学家希尔
探索光合作用原理的部分实验
+
氧化剂
离体叶绿体
加氧化剂，不通入CO2；给予光照
叶绿体
【思考】请推测一下，O2从何而来？
提示：水在光下分解，产生O2
材料
处理
结果
有O2释放
探索光合作用原理的部分实验
+
氧化剂
离体叶绿体
加氧化剂，不通入CO2；给予光照
叶绿体
材料
处理
结果
有O2释放
叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应。
希尔反应
应反尔希
1928年
英国植物学家希尔
探索光合作用原理的部分实验
+
氧化剂
离体叶绿体
加氧化剂，不通入CO2；给予光照
叶绿体
材料
处理
结果
有O2释放
提示:水的光解是一种氧化还原反应，水光解后产生O2、H+和电子，铁盐（Fe3+）即氧化剂是电子受体，得电子后化合价降低。
【思考】希尔实验中加入氧化剂的作用是什么？
NADP+和NADPH
NADP+(氧化型辅酶Ⅱ)接受电子与H+结合形成NADPH（还原型辅酶Ⅱ）
1928年
英国植物学家希尔
探索光合作用原理的部分实验
+
氧化剂
离体叶绿体
加氧化剂，不通入CO2；给予光照
叶绿体
材料
处理
结果
有O2释放
【思考】尝试用一个简单的反应式描述希尔反应？
2H2O + 2NADP+ O2 + 2NADPH + 2H+
光能
1928年
英国植物学家希尔
探索光合作用原理的部分实验
+
氧化剂
离体叶绿体
加氧化剂，不通入CO2；给予光照
叶绿体
材料
处理
结果
有O2释放
【思考】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？
提示：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。
1928年
英国植物学家希尔
探索光合作用原理的部分实验
+
氧化剂
离体叶绿体
加氧化剂，不通入CO2；给予光照
叶绿体
材料
处理
结果
有O2释放
【思考】希尔实验没有向离体叶绿体提供光合作用的另一原料——CO2 ，但叶绿体在光下分解H2O释放出了O2，这说明了什么？
提示：光合作用释放O2与CO2无直接关系。
1928年
英国植物学家希尔
探索光合作用原理的部分实验
+
氧化剂
离体叶绿体
加氧化剂，不通入CO2；给予光照
叶绿体
材料
处理
结果
有O2释放
【思考】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？
提示：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。
1928年
英国植物学家希尔
1941年
美国科学家鲁宾和卡门
探索光合作用原理的部分实验
1941年
美国科学家鲁宾和卡门
甲组
乙组
探索光合作用原理的部分实验
同位素标记法
18O
H218O
C18O2
C18O2
H2O
O2
H218O
CO2
18O2
【思考】分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
提示：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。
1954年
美国科学家阿尔农
探索光合作用原理的部分实验
【思考】尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
探索光合作用原理的部分实验
1954年
美国科学家阿尔农
1954年，美国科学家阿尔农发现，
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。
参考：
合理即可例如
ADP + Pi ATP
2H2O + 2NADP+ O2 + 2NADPH + 2H+ + 能量
光能
光合作用原理
光合作用的过程十分复杂。。。
根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应（现在也称为碳反应）两个阶段。
光合作用原理
光反应
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。
阅读教材P103最后一段
● 光反应在哪进行？
● 光反应发生了哪些物质变化？
● 光反应发生了哪些能量变化？
类囊体
色素
光能
H2O
水的光解
O2
NADPH
ADP ＋Pi
ATP
H+
NADP+
光反应
酶
条件：
光、色素、酶
产物：
O2、ATP、NADPH
场所：
类囊体薄膜
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。
反应物：
H2O ADP Pi NADP+
光合作用原理
类囊体
色素
光能
H2O
水的光解
O2
NADPH
ADP ＋Pi
ATP
H+
NADP+
光反应
酶
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。
物质变化
能量变化
水的光解
ATP的合成
NADPH的合成
光能
ATP、NADPH中活跃的化学能
光合作用原理
光反应
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。
ATP
类囊体腔
叶绿体基质
光合作用原理
暗反应
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。
CO2就如何转变为糖类的
CO2 C3 （CH2O）
同位素标记法
20世纪40年代美国科学家卡尔文
1、向小球藻类培养液中加入14CO2
2、连续60s取样，将藻类细胞置于热酒精中
3、分离溶解物中的分子
4、进行放射性显影，以确定放射性的部位
光合作用原理
暗反应
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。
阅读教材P104最后一段
● 暗反应在哪进行？
● 暗反应发生了哪些物质变化？
● 暗反应发生了哪些能量变化？
光合作用原理
暗反应
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。
1molCO2
固 定
还 原
CH2O
NADPH
ATP
1molC5
2molC3
还原剂
供能
ADP+Pi
NADP+
条件：
多种酶
产物：
CH2O C5 ADP Pi NADP+
场所：
叶绿体基质
供能
反应物：
CO2 C5 NADPH ATP
光合作用原理
暗反应
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。
1molCO2
固 定
还 原
NADPH
ATP
1molC5
2molC3
还原剂
供能
ADP+Pi
NADP+
供能
物质变化
能量变化
CO2的固定
ATP的水解
C3的还原
活跃的化学能
稳定的化学能
NADPH的分解
CH2O
光合作用原理
暗反应
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。
C5：核酮糖―1,5―二磷酸 （RuBP）
C3：3―磷酸甘油酸 （PGA）
光合作用直接产物：3―磷酸甘油醛 （G3P）
3-磷酸甘油醛可以在叶绿体中合成淀粉，也能运出叶绿体在细胞质基质中合成蔗糖。
卡尔文循环
光合作用原理
反应阶段
光反应
暗反应
反应部位
反应条件
物质变化
能量变化
产 物
联系
类囊体的薄膜上
叶绿体基质
叶绿体色素、酶、光能
多种酶
水的光解
ATP的合成
NADPH的合成
CO2的固定
C3的还原
ATP的水解
NADPH的分解
光能→活跃的化学能
活跃的化学能→稳定的化学能
O2 ATP NADPH
（CH2O ） C5 ADP Pi NADP+
光反应为暗反应提供ATP和NADPH
暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料
光合作用原理
归纳总结
光反应阶段
暗反应阶段
ATP
NADPH
ADP+Pi
NADP+
2C3
C5
O2
根据光合作用的基本过程填充下图
类囊体膜上的色素
多种酶
参与催化
光合作用原理
归纳总结
光合作用原理的应用
目录
NO.1丨捕获光能的色素
NO.2丨叶绿体的结构适于进行光合作用
NO.3丨光合作用的原理
NO.4丨光合作用原理的应用
Application of the principle of photosynthesis
catalogue
指植物在单位时间内，通过光合作用制造糖类的数量，直接关系农作物的产量，研究影响光合作用强度的环境因素很有现实意义。
光合作用强度
Photosynthetic intensity
单位时间内光合作用
固定CO2的量
制造或产生有机物（糖类）量
产生O2的量
表示方法
探究环境因素对光合作用强度的影响
光照强度
对光合作用强度的影响
问题一：如何控制光照强度？
不同功率的台灯
或
相同功率台灯离实验装置的距离
光照强度
对光合作用强度的影响
问题二：如何检测光合作用的强度？
利用真空渗水法排除叶片细胞间隙中的气体，使其沉入水中。在光合作用的过程中植物吸收CO2并排除O2，产生O2的多少与光合作用的强度密切相关，O2溶解度很小，积累在细胞间隙从而使下沉的叶片上浮。因此可依据一定时间内叶片上浮的数量，来比较光合作用的强弱
探究环境因素对光合作用强度的影响
探究环境因素对光合作用强度的影响
光照强度
对光合作用强度的影响
探究环境因素对光合作用强度的影响
①打孔
用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大叶脉）
光照强度
对光合作用强度的影响
探究环境因素对光合作用强度的影响
②排气
将圆形小叶片置于注射器内，用手指堵住注射器前段的小孔并缓幔拉动活塞，让小圆片内的气体逸出。步骤重复3次
①打孔
用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大叶脉）
光照强度
对光合作用强度的影响
探究环境因素对光合作用强度的影响
③分组
准备3只小烧杯，装有富含CO2的清水，向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片
②排气
将圆形小叶片置于注射器内，用手指堵住注射器前段的小孔并缓幔拉动活塞，让小圆片内的气体逸出。步骤重复3次
①打孔
用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大叶脉）
光照强度
对光合作用强度的影响
探究环境因素对光合作用强度的影响
④控制自变量
将3只烧杯分别置于强、中、弱光下
②排气
将圆形小叶片置于注射器内，用手指堵住注射器前段的小孔并缓幔拉动活塞，让小圆片内的气体逸出。步骤重复3次
①打孔
用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大叶脉）
③分组
准备3只小烧杯，装有富含CO2的清水，向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片
光照强度
对光合作用强度的影响
探究环境因素对光合作用强度的影响
②排气
将圆形小叶片置于注射器内，用手指堵住注射器前段的小孔并缓幔拉动活塞，让小圆片内的气体逸出。步骤重复3次
①打孔
用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大叶脉）
⑤检测因变量
观察并记录叶圆片浮起所用的时间
④控制自变量
将3只烧杯分别置于强、中、弱光下
③分组
准备3只小烧杯，装有富含CO2的清水，向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片
光照强度
对光合作用强度的影响
探究环境因素对光合作用强度的影响
②排气
将圆形小叶片置于注射器内，用手指堵住注射器前段的小孔并缓幔拉动活塞，让小圆片内的气体逸出。步骤重复3次
①打孔
用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大叶脉）
⑤检测因变量
观察并记录叶圆片浮起所用的时间
④控制自变量
将3只烧杯分别置于强、中、弱光下
③分组
准备3只小烧杯，装有富含CO2的清水，向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片
小圆形叶片 加富含CO2 的清水 光照强度 叶片浮
起数量
甲 10片 20 mL 强 多
乙 10片 20 mL 中 中
丙 10片 20 mL 弱 少
实验结果
光照强度
对光合作用强度的影响
探究环境因素对光合作用强度的影响
②排气
将圆形小叶片置于注射器内，用手指堵住注射器前段的小孔并缓幔拉动活塞，让小圆片内的气体逸出。步骤重复3次
①打孔
用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大叶脉）
⑤检测因变量
观察并记录叶圆片浮起所用的时间
④控制自变量
将3只烧杯分别置于强、中、弱光下
③分组
准备3只小烧杯，装有富含CO2的清水，向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片
光照强度
光合作用强度
A
探究环境因素对光合作用强度的影响
除了光照强度外，还有哪些环境因素会影响光合作用强度？
在一定范围内，随光照强度增强而增强
光照强度
红光和蓝紫光对光合作用的强度影响最大
光的波长
在一定范围内，随CO2浓度增大而增强
气孔开闭会影响CO2的供应，进而影响光合作用
二氧化碳
作为光合作用的原料之一
水分供应还会影响气孔开闭
水
影响酶的活性
温度
影响叶绿体的形成和结构
营养和病虫害
探究环境因素对光合作用强度的影响
如何探究CO2浓度对光合作用的影响
数量相同的叶圆片置于烧杯底部
等距离（10cm）置于40W 的光源下
1
蒸馏水
2
2%
NaHCO3溶液
3
10%
NaHCO3溶液
如何探究温度
对光合作用的影响
1
低温
蒸馏水
2
常温
蒸馏水
3
高温
蒸馏水
水浴控制温度
数量相同的叶圆片置于烧杯底部
等距离（10cm）置于40W 的光源下
自然界中少数种类的细菌，能够利用体外环境中某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物，这种合成作用叫做化能合成作用。
化能合成作用
Chemosynthesis
例如：硝化细菌
NH3 + O2 HNO2 + 能量
HNO2 + O2 HNO3 + 能量
CO2 + H2O (CH2O) + O2
尝试分析光照强度减弱或CO2浓度下降后，叶绿体内的C5、C3、NADPH和ATP的含量变化？
光反应阶段
暗反应阶段
ATP
NADPH
ADP+Pi
NADP+
2C3
C5
O2
类囊体膜上的色素
多种酶
参与催化
光↓ ATP↓ ADP↑ NADPH↓ C3↑ C5↓
CO2↓ C3↓ C5↑ ATP↑ ADP↓ NADPH ↑
光合作用与呼吸作用的关系：
O2
CO2
CO2
O2
CO2
O2
O2
O2
CO2
CO2
光合 ＜ 呼吸
光合 ＝ 呼吸
光合 ＞ 呼吸
呼吸速率：单位时间内一定量的组织CO2的释放量或O2的吸收量。
净光合速率：单位时间内一定量叶片面积吸收的CO2量或释放的O2量。
真正（总）光合速率=净光合速率+呼吸速率
图甲表示某自然环境中一昼夜植物CO2吸收和释放的变化曲线，S1、S2、S3分别表示曲线和坐标轴围成的面积，图乙表示密闭容器中一昼夜CO2浓度的变化曲线。
练习与应用
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。（ ）
√
×
×
2、科学家用含有14c的co2来追踪光合作用中的碳原子，其转移途径是（　　）
a. co2→叶绿素→adp b. co2→叶绿体→atp
c. co2→乙醇→糖类 d. co2→c3化合物→糖类
D
练习与应用
3、在适宜反应条件下，用白光照射离体的新鲜叶绿体一段时间后，突然改用光照强度与白光相同的红光或绿光照射。下列是光源与瞬间发生变化的物质，组合正确的是（　　　）
　a. 红光，atp下降
　b. 红光，未被还原的c3上升
　c. 绿光，nadph下降
　d. 绿光，c5上升
C
练习与应用
4、如图为光合作用示意图。下列说法错误的是（ ）
a．①表示o2，③表示还原型辅酶ⅱ，④表示co2
b．暗反应中，co2首先与c5结合生成c3，然后被还原（ch2o）
c．黑暗条件下，光反应停止，暗反应将持续不断地进行下去
d．增加光照强度或降低co2浓度，c3的含量都将减少
C
本节结束

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