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第三章　细胞的代谢
浙科版高中生物 必修1
第2课时
光反应和碳反应、
环境因素对光合作用的影响
第三章　第五节　光合作用将光能转化为化学能
学习目标
1.阐明光合作用的原理及光反应与碳反应的关系。
2.采用不同指标表示光合速率并解决实际问题。
3.尝试探究环境因素对光合作用的影响。
“叶子概念车”的工作原理模拟叶子的什么功能？它的动力从何而来
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光反应和碳反应
一
影响光合速率的环境因素
二
目录
资料1　希尔反应：1937年，英国植物学家希尔发现，给离体叶绿体悬浮液充足光照并加入氧化剂，但不通入CO2，结果有氧气释放。
请结合资料分析回答下列问题：
(1)通过希尔反应，我们可以得到什么结论？
水的光解可以产生氧气。
探讨一　光合作用中O2产生的探索
资料1　希尔反应：1937年，英国植物学家希尔发现，给离体叶绿体悬浮液充足光照并加入氧化剂，但不通入CO2，结果有氧气释放。
请结合资料分析回答下列问题：
(2)此实验是否能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？请说明原因。
能说明。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，暗示着水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。
资料2　阿尔农实验：黑暗条件下给离体叶绿体供给ATP、NADPH和CO2，结果叶绿体中有糖类生成。
(3)根据阿尔农的实验推测光反应为碳反应提供了什么条件？
光反应为碳反应提供了ATP和NADPH。
探讨二　光合作用中能量的转化
资料3　卡尔文实验：将小球藻装在一个密闭容器中，通过一个通气管向容器中通入CO2，通气管上有一个开关，可控制CO2的供应，容器周围有光源，通过控制电源开关可控制光照的有无。他向密闭容器中通入14CO2，当反应进行到5 s时，14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中，将反应时间缩短到0.5 s时，14C出现在一种三碳化合物(C3)中。
探讨三　光合作用中有机物产生
(4)卡尔文实验的自变量是什么？
1.研究碳的转移途径
光照的时间。
资料3　卡尔文实验：将小球藻装在一个密闭容器中，通过一个通气管向容器中通入CO2，通气管上有一个开关，可控制CO2的供应，容器周围有光源，通过控制电源开关可控制光照的有无。他向密闭容器中通入14CO2，当反应进行到5 s时，14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中，将反应时间缩短到0.5 s时，14C出现在一种三碳化合物(C3)中。
探讨三　光合作用中有机物产生
(5)如果给植物提供14CO2，光合作用中放射性依次出现在哪些物质中？
1.研究碳的转移途径
光合作用过程的示意图
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碳反应（也称为暗反应)两个阶段。
H2O
类囊体膜
酶
Pi ＋ADP
ATP
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
光能转化为NADPH和ATP中的化学能
场所：
条件：
物质变化
能量变化
H+
NADPH的合成： H++NADP+ NADPH
NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素
光反应
1
H2O
类囊体膜
酶
Pi ＋ADP
ATP
①光反应产生的O2被释放到细胞外。
②光反应产生的ATP和NADPH是碳反应中将二氧化碳还原为糖的能源物质，NADPH在碳反应中是还原剂。
产物去向及作用
H+
NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素
光反应
1
叶绿体的基质中
场所：
NADPH 、ATP、酶
条件：
CO2 的固定：
CO2＋五碳糖 2三碳酸
酶
三碳酸被还原：
ATP
ADP+Pi
2三碳酸 2三碳糖
酶
物质变化
NADP+
NADPH
碳反应
2
（卡尔文循环）
再生五碳酸：
三碳糖
五碳糖
酶
碳反应
2
（卡尔文循环）
活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能
能量变化：
光合产物的利用
在叶绿体内，三碳糖能作为合成淀粉、蛋白质和脂质的原料。大部分三碳糖运至叶绿体外，并且转变成蔗糖，供植物体所有细胞利用。
尝试构建光合作用过程模型
五碳糖
三碳酸
多种酶
三碳糖
固定
碳反应阶段
三碳糖
还原
ADP+Pi
ATP
H2O
1/2O2
2H+、2e-
酶
光反应阶段
NADP+
NADPH
酶
类囊体薄膜上的色素
光
CO2
光合作用过程中五碳糖和三碳酸含量变化的分析
任务二
1.请分析突然停止对光下植物的光照后，其体内的五碳糖和三碳酸的含量如何变化？
2.请分析突然停止对光下植物的CO2的供应后，其体内的五碳糖和三碳酸的含量如何变化？
1.光反应与碳反应的比较
过程 光反应 碳反应
条件 必须在光下，需要色素、酶和水 需要酶、CO2、ATP和NADPH，只有在有光条件下才能循环
场所 叶绿体类囊体膜(光合膜) 叶绿体基质
物质转化
能量转化 光能→ATP、NADPH中的化学能 ATP和NADPH中的化学能→有机物中稳定的化学能
联系 光反应为碳反应提供NADPH、ATP，碳反应为光反应提供NADP＋、ADP和Pi，如图： 2.光合作用过程中元素的转移途径
(1)光合作用过程中O元素的转移途径：
H218O→18O2；C18O2→C3→(CH218O)。
(2)光合作用过程中C元素的转移途径：
14CO2→14C3→14C6H12O6＋14C5。
(3)光合作用过程中H元素的转移途径：
H2O→NADPH→C6H12O6＋H2O。
跟踪训练
1.(2023·宁波高一期末)研究人员从菠菜中分离类囊体，将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴，从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸。下列叙述正确的是
A.产生乙醇酸的场所相当于叶绿体的类囊体膜
B.该反应体系需不断消耗CO2和水
C.类囊体产生的ATP和NADPH参与CO2的固定
D.与叶绿体相比，该反应体系不含光合色素
√
跟踪训练
乙醇酸是在光合作用碳反应阶段中产生的，碳反应的场所在叶绿体基质，所以产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质，A错误；
该反应体系中进行光合作用的整个过程，光反应需要消耗水，碳反应需要不断消耗CO2，B正确；
类囊体产生的ATP和NADPH参与三碳酸的还原，不参与CO2的固定，C错误；
该体系含有类囊体，类囊体膜上有光合色素，D错误。
跟踪训练
2.如图为大豆叶片叶肉细胞光合作用碳反应阶段的示意图，下列叙述正确的是
A.CO2的固定实质上是将ATP中的化学能转变为
三碳酸中的化学能
B.卡尔文循环产生的三碳糖大部分运输到叶绿体外合成蔗糖
C.光强度突然由强变弱导致光合速率下降，短时间内五碳糖含量升高
D.被还原的三碳酸在有关酶的催化作用下，可再形成五碳糖
√
跟踪训练
CO2的固定过程不消耗ATP，A错误；
卡尔文循环过程中产生的三碳糖大部分用于再生五碳糖，而离开卡尔文循环的三碳糖大部分被运出了叶绿体用于合成蔗糖，B错误；
光强度由强变弱，光反应速率减慢，NADPH和ATP的
产生量减少，使碳反应阶段三碳酸的还原速率减慢，
生成的五碳糖减少，而CO2的固定短时间内正常进行，消耗的五碳糖不变，导致五碳糖含量减少，C错误；
跟踪训练
在有关酶的催化作用下，三碳酸接受ATP水解释放的能量并且被NADPH还原，一些接受能量并被还原的三碳酸经过一系列变化形成糖类，另一些接受能量并被还原的三碳酸则经过一系列的化学变化又形成五碳糖，D正确。
光反应和碳反应
一
影响光合速率的环境因素
二
目录
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
光合速率（光合强度）：指一定量的植物(如一定的叶面积)在单位时间内进行的光合作用，用单位时间内释放的氧气量或消耗的二氧化碳量表示。
影响
因素
探究光强度对光合作用的影响
活动
实验方案：
实验假设：
一定范围内，光合速率随光强度的增加而增加。
①组装如图装置三套，分别编号为甲、乙、丙；
探究光强度对光合作用的影响
活动
实验方案：
②分别向三支试管内加入等量的金鱼藻和5%的NaHCO3溶液；
③记录有色液滴的起始位置；
④取三只100 W灯泡，分别置于距甲、乙、丙10 cm、20 cm、50 cm处，照射一段时间后，记录液滴的位置。
真正光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率
O2
CO2
O2
CO2
较强光照时
（可以测得）
（可以测得）
据图分析，实验所测是否为叶片实际光合作用强度？
光照强度
0
CO2吸
收
CO2
释
放
A
B
C
呼吸速率
光补偿点
光饱和点
净光合
总光合
B：光合作用=呼吸作用
D：光合速率开始达到最大时外界的光照强度
（限制因素：CO2浓度、温度等）
D
AB：光合作用<呼吸作用
BC：光合作用>呼吸作用
呼吸
A：只进行呼吸作用
C点之前限制光合作用的因素是光照强度
应用：合理密植；间作套种；适当剪枝
光照强度对光合作用强度的影响
A：只进行呼吸作用
B：光合作用=呼吸作用
细胞呼吸释放的CO2 全部用于光合作用
BC：光合作用>呼吸作用
AB：光合作用<呼吸作用
CO2浓度
A
B
吸收速率
CO2
C
释放速率
CO2
D
A点：
对应的CO2浓度为能进行光合作用的最低CO2浓度。
CO2补偿点
光合作用速率＝呼吸作用速率
对应的D点为CO2饱和点
C点之后光合速率的限制因素：
主要为光照强度和温度。
B点：
C点：
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.大田中还要注意通风透气。
应用：
CO2 浓度对光合作用强度的影响
CO2释放
a
思考：点c与A、n与C是否相同？
m与A、n与C相同
CO2浓度
C
CO2补偿点
CO2饱和点
温度对光合作用强度的影响
①原理1：温度通过影响 影响光合作用。
②曲线分析:
与光合作用有关酶的的活性
AB段 在B点之前，随着温度升高，光合速率_____
B点 酶的 温度，光合速率最大
BC段 随着温度升高，酶的活性下降，光合速率 ，50 ℃左右光合速率几乎为零
增大
最适
减小
“午休”现象
盛夏的中午，温度高，气孔大多关闭，植物因为缺少CO2而光合作用强度下降
③原理2：影响气孔开闭
④应用：农作物增产措施
a 适时播种:
b 温室栽培：
Ⅰ晴天：
Ⅱ连续阴雨天：
增加昼夜温差
白天和晚上均降温
温度对光合作用强度的影响
N：光合酶及NADPH和ATP的重要组分
P：NADPH和ATP的重要组分
K：促进光合产物向贮藏器官运输
Mg：叶绿素的重要组分
应用：合理施肥
P～Q的形成原因：
矿质元素过多、土壤溶液浓度过高而导致植物渗透失水萎蔫。
矿质元素对光合作用强度的影响
水对光合作用强度的影响
1.水是光合作用的原料，缺水直接影响光合作用
2.缺水又会导致叶片气孔关闭，限制CO2进入叶片，从而间接影响光合作用。
缺水
气孔关闭
限制CO2进入叶片
光合作用受影响
应用：合理浇灌
叶龄和叶面积对光合作用强度的影响
应用：a.合理密植(增加光合作用面积)；b.适当间苗(“套种间作”讲的就是这个方面)；
c.修剪以增加有效光合作用面积；d.适当摘除老叶。
多因子变量对光合速率的影响
问：温度不同或者CO2浓度不同，总光合速率曲线会如何变化？
P点前，制约因素是什么？Q点时，制约因素是什么？
应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合作用所需酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO2浓度，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。
请结合光合速率与其影响因素的关系，分析回答下列问题：
(1)图2中A点和B点的含义分别是什么？
A点是进行光合作用所需CO2的最低浓度，B点是CO2饱和点，即植物光合速率不再随CO2浓度增加而提高时所对应的最低CO2浓度。
(2)请结合图1、图2总结在农业生产上提高作物产量的措施。
合理密植(可以提高光能利用率)、合理通风、施用农家肥或有机肥等。
(3)在图3中，P点时，限制光合速率的因素是什么？光强度大于Q时，曲线B和C所表示的光合速率不再增加，此时限制因素是什么？
P点时，限制光合速率的因素是光强度(横轴对应的变量)；光强度大于Q时，限制曲线B和C所表示的光合速率增加的因素是CO2浓度。
(4)水分能影响气孔的导度，从而影响CO2进入植物体内，另外水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质，如植物缺水导致萎蔫，使光合速率下降。试解释图4曲线中E点光合强度暂时降低的原因。
温度过高，蒸腾作用过强，水分丢失过多，导致气孔导度降低，细胞中CO2的供应减少。
(1)单因素对光合速率的影响
影响因素 曲线 曲线解读 在生产上的应用
光强度 A点：只进行细胞呼吸；AB段：随光强度增加，光合速率也逐渐增加；B点(光补偿点)：光合速率等于细胞呼吸速率；BC段：光强度不断加强，光合速率不断增加，C点对应的光强度为光饱和点 温室栽培时人工补光，延长光合作用时间；通过轮作，延长全年内单位土地面积上绿色植物进行光合作用的时间
综合分析各种因素对光合速率的影响
CO2浓度 ①图1和图2都表示在一定范围内，光合速率随CO2浓度的增加而增大，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合速率不再增加； ②图1中A点表示光合速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点；图2中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。图1中的B点和图2中的B′点都表示CO2饱和点 施用有机肥；温室栽培植物时，可以适当提高室内CO2浓度；大田生产“正其行，通其风”，即提高CO2浓度，增加产量
综合分析各种因素对光合速率的影响
温度 温度主要通过影响与光合作用有关酶的活性来影响光合速率 增加昼夜温差，保证植物有机物的积累
综合分析各种因素对光合速率的影响
(2)多因素对光合速率的影响
①曲线解读：P点时，限制光合速率的主要因素应为横坐标所示因素，随该因素的
不断增加，光合速率不断增大；Q点时，横坐标所示因素不再是影响光合速率的主要因素，若要提高光合速率，可适当提高图示其他因素的强度。
综合分析各种因素对光合速率的影响
②应用
a.温室栽培植物时，在光强度一定的条件下，白天适当升高温度，可提高与光合作用有关的酶的活性，提高光合速率，同时适当补充CO2浓度，进一步提高光合速率。
b.当温度适宜时，可适当增加光强度和CO2浓度，以提高光合速率。
综合分析各种因素对光合速率的影响
跟踪训练
3.(2024·杭州高一月考)用打孔器在某植物的叶片上打出多个圆片并用气泵抽出叶片内气体直至沉底，然后将等量的叶圆片分别转移至含有等浓度的NaHCO3溶液的多个培养皿中，然后给予一定的光照，在相同且适宜的条件下，测量不同温度下的叶圆片全部上浮至液面所需时间平均值，如图所示。下列说法正确的是
跟踪训练
A.上浮至液面所需的时间可反映净光合速率的相对大小
B.在ab段，随着水温的增加，净光合速率逐渐减小
C.叶片真正光合作用的最适温度一定位于bc段
D.在cd段，主要是NaHCO3浓度下降，CO2减少导致上浮所需时间延长
√
跟踪训练
根据分析叶圆片上浮的原理可知，叶圆片上浮至液面所需时间长短可反映净光合速率的相对大小，A正确；
ab段，随着水温的增加，叶圆片上浮至液面所需时间缩短，说明氧气产生速率加快，净光合速率逐渐增大，B错误；
跟踪训练
叶圆片上浮至液面所需时间长短可反映净光合速率的相对大小，而真正光合速率＝净光合速率＋细胞呼吸速率，由于温度变化也会影响与细胞呼吸有关酶的活性，所以叶片真正光合作用的最适温度不一定位于bc段，C错误；
不同温度条件下的实验组中含有等浓度的NaHCO3溶液，所以在cd段是由于温度过高，光合作用相关酶的活性降低，导致叶圆片上浮所需时间延长，D错误。
跟踪训练
4.如图为有关环境因素对植物光合作用影响的关系图，下列有关叙述错误的是
A.若图1表示植物阴天时的光合速率，则晴天时，a点左移，b点右移
B.图2中，若CO2浓度适当增大，则a点左移，b点右移
C.图3中，CO2浓度由b点变为a点，短时间内叶绿体中三碳酸分子的含量增加
D.图4中，当温度高于25 ℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少
√
跟踪训练
阴天时植物的光合作用强度较低，晴天时光强度增加，光合作用强度增加，故图1中b点(CO2饱和点)右移，a点(CO2补偿点)左移，A正确；
图2中a点为光补偿点，b点为光饱和点，若CO2浓度适当增大，则光合作用强度也随之增强，所以a点左移，b点右移，B正确；
跟踪训练
图3中，CO2浓度由b点变为a点后，CO2浓度增加，碳反应过程中CO2固定形成三碳酸分子增加，故三碳酸分子的含量相对增加，C正确；
图4中光照下CO2的吸收量为植物净光
合量(植物有机物积累量)，黑暗中CO2的释放量为植物细胞呼吸量，所以当温度高于25 ℃时，植物光合作用积累的有机物的量开始减少，而不是植物光合作用制造的有机物的量(植物总光合量)开始减少，D错误。
夯基础查落实
1.光反应场所：类囊体膜——光合膜，碳反应场所：叶绿体基质。
2.光反应的物质转化：
要语必背
3.碳反应的物质转化
4.光反应为碳反应提供NADPH和ATP；碳反应为光反应提供ADP、Pi和NADP＋。
5.光合作用中的能量转变：光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能。
6.光合产物的利用：三碳糖在叶绿体内能作为合成淀粉、蛋白质和脂质的原料。大部分三碳糖运至叶绿体外，并且转变成蔗糖，供植物体所有细胞利用。
7.突然停止光照，相关物质的量变化情况：NADPH、ATP下降、C3增加、C5下降。
8.突然停止CO2，相关物质的量变化情况：NADPH、ATP增加、C3下降、C5增加。
9.光合作用过程中元素的转移途径：O元素：H218O→18O2；C元素：14CO2→14C3→14C6H12O6＋14C5；H元素：H2O→NADPH→C6H12O6＋H2O。
10.光强度直接影响光反应速率，光反应产物中NADPH与ATP的量会影响碳反应速率。在一定范围内，光合速率随光强度的增加而增加；当光强度升高到一定数值后，光强度再增加，光合速率也不会增加，此时的光强度称为光饱和点。
11.温度通过影响光合作用过程，特别是碳反应中酶的催化效率，从而影响光合作用强度。每种植物光合作用都有一个最适温度。低于该温度，随着温度升高，光合速率加快；超过该温度，酶的活性减弱或丧失。
12.CO2是碳反应的原料，CO2的浓度直接影响碳反应速率。一定范围内，空气中CO2浓度的增加会使光合速率加快。
1.光合作用过程中，ATP移动的方向是 。
2.光反应阶段产生的NADPH的作用：_______________________________
。
3.突然停止光照，短时间内叶绿体中C3的含量增加，原因是____________
_____________________________________________________________________________________________________________。
4.在北方的冬暖大棚中施用有机肥的益处：__________________________
___________________________________________________________________________________________________________________________。
长句表达
类囊体膜→叶绿体基质
作为C3还原的还原剂并为C3还原提
供能量
光照突然停止，
光反应阶段停止，ATP、NADPH含量降低，C3的还原减少，但CO2的固定仍继续进行，C3生成继续，故C3的含量暂时增加
有机肥中的有机物被土壤中的
微生物分解成各种矿质元素，增加了土壤的肥力，另外还释放出热量和CO2，增加了大棚内的温度和CO2浓度，有利于农作物进行光合作用
5.如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：
(1)7～10时的光合强度不断增强的原因
是 。
(2)10～12时左右的光合强度明显减弱的
原因是 。
(3)14～17时的光合强度不断下降的原因是 。
(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强度的一些措施：
__________________________________________________________________________________________________________。
光强度逐渐增大
温度过高，使气孔大量关闭，导致细胞中CO2的供应减少
光强度不断减弱
光强度、温度
可以利用温室大棚控制光强度、温度的方式，如补光、遮阴、增施有机肥、喷淋降温等，提高绿色植物光合作用强度

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