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(共50张PPT)
第5章　细胞的能量供应和利用
第4节
光合作用与能量转化
一、捕获光能的色素
实验 绿叶中色素的提取和分离
实验原理
实验选材
实验方法及步骤
实验现象
一、捕获光能的色素
实验原理
提取原理
分离原理
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中
绿叶中的色素不只有一种，它们都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。
实验选材
新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）
新鲜菠菜叶
选新鲜绿色的叶片，使滤液中的色素含量高。
实验：绿叶中色素的提取和分离
一、捕获光能的色素
实验：绿叶中色素的提取和分离
1.提取绿叶中的色素
2.制备滤纸条
3.画滤液细线
4.分离绿叶中的色素
5.观察与记录
实验步骤
一、捕获光能的色素
1.提取绿叶中的色素
加入碳酸钙，目的是防止色素被破坏（保护色素）。
是为了防止乙醇挥发，防止色素分解。
加入无水乙醇，目的是溶解色素。
将绿叶的主叶脉剪去，剪碎叶片，放入研钵中。
1
放入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5~10mL无水乙醇。
迅速、充分地进行研磨。
2
3
实验：绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
加入二氧化硅，目的是研磨充分。
一、捕获光能的色素
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。
4
滤纸会吸附色素
封口是为了防止乙醇挥发，叶绿素氧化分解
实验：绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
1.提取绿叶中的色素
一、捕获光能的色素
铅笔线
将干燥的定性滤纸剪成宽度略小于试管直径、长度略小于试管长度的滤纸条，再将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1CM处铅笔画一条细的横线。
防止两侧色素扩散快，色素带不整齐
实验：绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
2.制备滤纸条
一、捕获光能的色素
★要求：细、直、齐
重复2—3次
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线。待滤液干后，再重画一到两次。
增加色素量，使条带清晰
实验：绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
3.画滤液细线
一、捕获光能的色素
将适量的层析液倒入烧杯中，将滤纸条（有滤液的一端朝下），轻轻插入层析液中，随后用培养皿盖住烧杯口（如是用试管需用棉塞塞紧管口）。
层析液：
石油醚、丙酮、苯
层析液
培养皿
滤液线
注意：层析液不能没及滤液线，防止色素溶解在层析液中
方法：纸层析法
实验：绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
4.分离绿叶中的色素
一、捕获光能的色素
1.滤纸条上有几条色素带？他们按照什么次序分布的？
2.滤纸条上色素带的分布情况说明了什么问题？
有四条色素带，由上往下依次是：胡萝卜素，叶黄素、叶绿素a、叶绿素b
不同色素在层析液中的溶解度不同；
4 种色素的颜色不同，也说明不同色素吸收了不同波长的光。
实验：绿叶中色素的提取和分离
实验步骤
5.观察与记录
过程 注意事项 操作目的
提取色素 1 选鲜嫩、深绿色的叶片
2 研磨时加无水乙醇
3 加少量SiO2和CaCO3
4 迅速、充分研磨
5 盛滤液的试管管口加棉塞
分离色素 2 滤液细线：直、细、均匀
3 滤液细线干燥后重复画一两次
4 滤液细线不触及层析液
使滤液中色素含量高
溶解叶绿体中的色素
研磨充分和保护叶绿素
防止无水乙醇挥发，色素分解
防止无水乙醇挥发和色素分解
使分离的色素带平整、不重叠
增加色素量，使条带清晰
防止色素溶解到层析液中
实验中的注意事项和操作目的归纳
一、捕获光能的色素
一、捕获光能的色素
绿叶中色素的种类
叶绿素
（含量约占3/4）
类胡萝卜素
（含量约占1/4）
叶绿素a
叶绿素b
胡萝卜素
叶黄素
（橙黄色）
（黄色）
（蓝绿色）
（黄绿色）
思考：
1.滤纸条上的色素带的宽窄表示什么？
2.色素排序呢？
含量多少
条带越宽，含量越多
溶解度大小
条带越高，扩散速率越快，溶解度也就越大
实验：绿叶中色素的提取和分离
影响叶绿素合成的三大因素
一、捕获光能的色素
思考：为什么秋天树叶会变黄？
温度降低，叶绿素无法合成，叶黄素和胡萝卜素相对含量增多，颜色由绿变黄。
一、捕获光能的色素
叶绿素溶液
色素提取液
光合色素主要吸收红光和蓝紫光
一、捕获光能的色素
叶绿素提取液——蓝紫光和红光色带很暗
类胡萝卜素提取液——蓝紫光色带很暗
叶绿素主要吸收蓝紫光和红光
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
叶绿素吸收绿光最少，绿光被反射出来；
思考：为什么大多数叶片是绿色的？
一、捕获光能的色素
400
500
600
700
波长/nm
叶
绿
色
a
叶
绿
色
b
类胡萝卜素
类胡萝卜素：
叶绿素：
蓝紫光
红光和蓝紫光
思考：
1．冬季时，为了增加蔬菜的产量，应该选红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜？为什么？
2．阴天时，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，应选择什么颜色(“蓝紫光和红光”或“白光”)的照明灯为蔬菜补充光源？为什么？
无色。因为太阳光由七色光组成，所以用无色薄膜，植物可以获得更多的光能。
蓝紫光和红光。在照明灯功率相同的情况下，选用蓝紫光和红光的照明灯补充光源，植物利用光能的效率更高。
思考：
照射水绵
需氧细菌聚集在红光和蓝紫光的区域
三棱镜
恩格尔曼实验
1.大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？
2.综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？
植物主要吸收红光和蓝紫光
能够吸收光能，进行光合作用，产生氧气
光
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
外膜
内膜
类囊体
基粒
基质
色素
与光合作用有关的酶
三、光合作用的原理
绿色植物通过________，利用______，将________________转化成储存着能量的_________，并且释放出________的过程。
叶绿体
光能
二氧化碳和水
有机物
氧气
光合作用：
三、光合作用的原理
1. 探索光合作用原理的部分实验
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。
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。
三、光合作用的原理
1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）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。
1. 探索光合作用原理的部分实验
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来自于水？
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？
结论：
悬浮液中有水，没有CO2，同时该实验也没有糖类生成，因此是两个反应。
否
水的光解产生氧气，水的光解和糖的合成不是同一个化学反应
三、光合作用的原理
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，研究光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2。然后，进行了两组实验：
1. 探索光合作用原理的部分实验
第二组
H218O
CO2
H2O
C18O2
第一组
18O2
O2
小球藻
(一种单细胞的绿藻)
光合作用氧气来自于水
③分析鲁宾和卡门做的实验，你能得到什么结论？
三、光合作用的原理
1954年，美国科学家美国科学家阿尔农(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。
1. 探索光合作用原理的部分实验
结论：
叶绿体中，ATP的合成总是和水的光解相伴随。
ADP+Pi ATP
光照
叶绿体
H2O O2 + 2H+ + 能量
1. 探索光合作用原理的部分实验
三、光合作用的原理
小结：实验表明，光合作用释放的氧气中的氧元素来自 ，氧气的产生和糖类的合成 同一个化学反应，而是分阶段进行的。　
水
不是
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两个阶段，现在也称为碳反应。
光合作用过程的示意图
三、光合作用的原理
1. 光反应在有光条件下能进行吗？无光呢？
2. 暗反应在有光条件下能进行吗？无光呢？
有光才能进行
有光、无光都能反应
阅读P103-104的内容，了解光反应和暗反应的场所、条件、物质变化和能量变化，并思考一下两个问题。（5min）
H++NADP+ NADPH
三、光合作用的原理
H2O
类囊体薄膜
Pi ＋ADP
ATP
光反应阶段
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
光能转变为ATP中的化学能
场所：
条件：
物质变化：
能量变化：
NADPH的合成：
NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素、酶
O2
H+
三、光合作用的原理
暗反应阶段
场所：
条件：
物质变化：
能量变化：
叶绿体基质
CO2、酶
20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻作做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最后探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。
CO2
C3
C5
CH2O
三、光合作用的原理
2C3
C5
NADPH
ADP + Pi
（CH2O）
ATP
多种酶
参加催化
酶
CO2
还原
固定
酶
供能
暗反应阶段
场所：
条件：
物质变化：
能量变化：
叶绿体基质
CO2、酶
CO2的固定：
C3的还原：
CO2＋C5 2C3
酶
2C3 (CH2O)+C5
酶
NADPH、ATP
ATP中的化学能转变为有机物中的化学能
ATP水解：
ATP ADP＋Pi ＋能量
酶
三、光合作用的原理
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
（类囊体薄膜)
(叶绿体基质)
光能
光合作用的过程示意图
光能
ATP中的化学能
有机物中的化学能
光合作用过程中原子转移途径
CO2+H2O ( CH2O）+O2
光能
叶绿体
C：
H：
0：
CO2→C3→（CH2O）+C5
H2O→NADPH →（CH2O）
H2O→O2、
CO2→C3→（CH2O）
比较光反应和暗反应
光反应阶段 暗反应阶段
条件
场所
物质变化
能量变化
联系 光反应是暗反应的基础，为暗反应提供 ， 暗反应为光反应提供 。
光、色素、酶
不需光、酶、CO2
类囊体薄膜
叶绿体基质中
水的光解； ATP的生成；NADPH的合成
CO2的固定； C3的还原；
ATP水解
光能转变为ATP中的化学能
ATP中化学能转变为有机物中的化学能
NADPH和ATP
NADP+、ADP和Pi
在自然界中，除了光合作用以外，还有其他制造有机物的方式吗？
少数种类的细菌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，这种合成作用叫化能合成作用。
化能合成作用：
NH3
HNO2
HNO3
氧化
氧化
放能
H2O+CO2
糖类
思考
电子显微镜下的一种硝化细菌（放大5000倍）
化能合成作用
课堂检测
1. 光合作用的过程可分为光反应和暗反应两个阶段，下列说法正确的是（ ）
A.叶绿体类囊体膜上进行光反应和暗反应
B.叶绿体类囊体膜上进行暗反应，不进行光反应
C.叶绿体基质中可进行光反应和暗反应
D.叶绿体基质中进行暗反应,不进行光反应
2. 光合作用过程中，产生ADP和消耗ADP的部位在叶绿体中依次为 ( )
①外膜 ②内膜 ③基质 ④类囊体膜
A．③② B．③④ C．①② D．④③
D
B
3. 科学家用14C标记CO2来追踪光合作用中的碳原子的转移途径，其转移途径是(　　)
A.CO2→叶绿素→ADP
B.CO2→叶绿体→ATP
C.CO2→乳酸→糖类
D.CO2→C3→糖类
4. 在暗反应中，固定二氧化碳的物质是（ 　）
Ａ.三碳化合物　 Ｂ.五碳化合物
Ｃ.NADPH　　 Ｄ.氧气　
D
B
课堂检测
四、影响光合作用强度的因素
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。
水分
CO2浓度
光
光质
光照强度
光照时间
光照面积
酶
色素
温度
矿质元素
影响
因素
内部
因素
外部
因素
酶的种类和数量
色素的含量
植物自身因素（叶龄、叶面积指数、生长时期）
光
CO2浓度
温度
矿质元素
水分
四、影响光合作用强度的因素
影响因素：
①光：
②CO2浓度：
③温度：
④矿质元素：
⑤水分：
直接影响光反应阶段，制约ATP和NADPH的产生，进而制约暗反应。
直接影响暗反应阶段，制约C3的生成。
通过影响酶活性进而影响光合作用，温度过高植物气孔大量关闭
影响光合作用相关化合物的合成。
水是体内各种化学反应的介质，还是是光合作用的原料；水也影响气孔的开闭，间接影响CO2进入植物体。
保卫细胞吸水
气孔张开
（1）7～10时的光合作用强度不断增强原因：
（2）12时左右的光合作用强度明显减弱原因：
（3）14～17时的光合作用强度不断减弱原因：
光照不断减弱，光合作用强度不断减弱。
光照不断增强，光合作用强度不断增强。
温度很高，蒸腾作用很强，气孔关闭，
二氧化碳供应减少，光合作用强度明显减弱。
A
B
D
C
E
时间
光
合
作
用
速
率
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1.下图是夏季晴朗的白天，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：
思考，以下措施为什么能提高农作物产量？
①间作套种、合理密植、定期进行枝丫修剪；
②施有机肥或农家肥；
③大田中还要注意通风透气，“正其行，通其风”；
④温室中，白天适当提高温度，晚上适当降温；
⑤温室大棚种植，选用无色塑料薄膜；
⑥施尿素，但也不能施肥过量；
NADPH、 ATP C3 C5 （CH2O）
CO2浓度不变，光照减弱
光照不变，CO2浓度下降
减少
增加
减少
减少
增加
增加
减少
减少
当条件改变时，C3、C5、ATP、NADPH含量变化
ATP、ADP分别从哪里转移到哪里？
ATP移动：
ADP移动：
类囊体薄膜→叶绿体基质
叶绿体基质→类囊体薄膜。
探究·实践：探究环境因素对光合作用强度的影响
自变量：
因变量：
无关变量：
如何测量光合作用强度？
CO2 的吸收量
O2 的释放量
有机物合成量
环境因素（如：光照、温度或CO2浓度等）
光合作用强度
植物叶片、其他环境条件处理等
探究·实践：探究环境因素对光合作用强度的影响
探究光照强度对光合作用强度的影响
叶片含有空气，上浮
叶片下沉
O2充满细胞间隙，叶片上浮
抽气
光合作用
产生O2
圆形小叶片
实验目的：
实验材料：
实验原理：
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：
四、影响光合作用强度的因素
1.取叶片均分三组，进行编号。
2.相同处理：用注射器排除叶片中的气体；放入适宜浓度的NaHCO3溶液中。
3.不同处理：给予低、中、高的光照。
实验步骤：
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
实验结果：
实验结论：
四、影响光合作用强度的因素
实际光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率
O2
CO2
O2
CO2
较强光照时
实验所测是否为叶片实际光合作用强度？
四、影响光合作用强度的因素
净光合速率（又称“表观光合速率”）
实际光合速率
呼吸速率
可用O2的 、CO2的 、有机物的 表示
释放量
吸收量
积累量
可用O2的 、CO2的 、有机物的 表示
产生量
固定量
产生量
可用O2的 、CO2的 、有机物的 表示
消耗量
释放量
消耗量
（又称“总”、“真正”）
光照强度
0
CO2
吸
收
CO2
释
放
光照强度对光合作用强度的影响
A
B
C
D
A点：
AB：
B点：
BC：
C点:
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
光合速率达到最大值
呼
吸
净光合
总光合
B点:
光补偿点（呼吸速率等于光合速率时所对应的光照强度）
D点：
四、影响光合作用强度的因素
光饱和点（光合速率最大时所对应的最小光照强度）
A点：
B点：
BC段：
AB段：
四、影响光合作用强度的因素
细胞呼吸释放的CO2 全部用于光合作用
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
A点：
AB：
B点：
BC：
C点：
D点：
能进行光合作用的最低CO2浓度。
CO2补偿点
CO2饱和点
CO2浓度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
D
CO2浓度对光合作用强度的影响
四、影响光合作用强度的因素
项目 光合作用 细胞呼吸
区 别 场所
物质 变化
能量 变化
ATP 用途
联系 光合作用为细胞呼吸提供 ； 细胞呼吸为光合作用提供 。
有机物中的化学能 ATP的化学能、热能，释放能量
叶绿体
细胞质基质、线粒体
合成有机物
分解有机物
光能 有机物中的化学能，储存能量
用于叶绿体内的暗反应
用于各种生命活动
光合作用与细胞呼吸对比
有机物和O2
CO2和水
A．a点时，小麦叶肉细胞不进行光合作用
B．b点时，小麦光合速率等于呼吸速率
C．其他条件适宜，当植物缺Mg时，b点将向右移动
D．随着环境温度的升高，cd段位置会不断上移
D
1．科学家研究小麦20 ℃时光合作用强度与光照强度的关系，得到如图所示曲线，下列有关叙述不正确的是(　　)
课堂检测

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