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第五章 细胞的能量供应和利用
第5.4.2节
光合作用的原理和应用
本节目标
01
光合作用的原理
光合作用原理的应用
02
光合作用是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。
一、光合作用
概念
反应式
CO2+H2O （CH2O）+O2
光能
叶绿体
表示糖类
O2是来自H2O还是来自CO2？
探究光合作用原理的部分实验
十九世纪末
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
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
1937年，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。
离体的叶绿体悬浮液
铁盐
（或其他氧化剂）
O2
希尔反应：离体的叶绿体在适当的条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应。
结论：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
1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素标记法研究了光合作用中O2的来源，他们用同位素标记法进行两组实验：
O2
18O2
1954年，美国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。
A组：光照+叶绿体提取液+ADP+Pi；
叶绿体中产生ATP
B组：黑暗+叶绿体提取液+ADP+Pi；
叶绿体中不产生ATP
结论
在叶绿体中，有光存在的情况下，ADP与Pi结合生成ATP，即在光下叶绿体内同时进行两个反应
探究光合作用原理的部分实验总结
年代 科学家 结论
十九世纪末 / 甲醛→糖 甲醛对植物有毒
1928年 / 甲醛不能通过光合作用转化成糖
1937年 希尔 水的光解产生氧气
1941年 鲁宾和卡门 利用同位素示踪法确定，光合作用氧气来自于水
1954年 阿尔农 光照下叶绿体合成ATP
1957年 阿尔农 这一过程总是与水的光解相伴
1.将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中，一段时间后植株达到40 g，其增加的质量来自
A.水、矿质元素和空气 B.光、矿质元素和水
C.水、矿质元素和土壤 D.光、矿质元素和空气
√
二、光合作用过程
光反应在白天可以进行吗？夜间呢？
暗反应在白天可以进行吗？夜间呢？
有光才能反应
有光、无光都能反应
光反应（光合作用第一阶段）
暗反应（光合作用第二阶段）又称卡尔文循环
划分依据:反应过程是否需要光能
H2O
类囊体薄膜
酶
ADP＋Pi
ATP
光反应阶段(必须有光)
光、色素、酶
类囊体薄膜上
水的光解：
H2O O +2H++2e-
光能
ATP的合成：
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：
H+
NADPH的合成： 2e-+H++NADP+ NADPH
2e-+NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素
O2
还原剂，提供能量
暗反应阶段
条件
多种酶。暗反应在有光、无光时均能进行
部位
叶绿体基质中
过程
暗反应阶段—卡尔文循环
过程
C5—五碳化合物，RuBP
C3—三碳化合物，3-磷酸甘油酸
CO2的固定CO2+C5 2C3
C3的还原 2C3 (CH2O)+C5
酶
NADPH
ATP、酶
实质
暗反应的实质是同化CO2，将活跃的化学能转化成稳定的化学能，储存在有机物中。
碳的转化途：14CO2→14C3→(14CH2O)
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．叶绿体类囊体的薄膜上进行光反应和暗反应
B．叶绿体类囊体的薄膜上进行暗反应，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
【答案】D　
【解析】光反应是在叶绿体类囊体的薄膜上进行的，暗反应是在叶绿体的基质中进行的。
色素分子
可见光
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
光合作用总过程：
NADP+
NADPH
光反应和暗反应是一个整体，二者紧密联系，缺一不可
联系：
光反应阶段为暗反应阶段提供 ，暗反应阶段产生的 为光反应阶段合成ATP提供原料。
光反应和暗反应的比较
光反应 暗反应
区别 所需条件
进行场所
物质变化
能量转化
联系 物质变化上的联系 能量转化上的联系 必须有光
有光或无光均可
类囊体薄膜
叶绿体基质
水光解为O2和H+;ATP和NADPH的合成
CO2的固定；C3的还原；ATP和NADPH的分解
光能转化为ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中稳定的化学能
光能→ATP和NADPH中的化学能→有机物中稳定的化学能
光反应为暗反应提供ATP和NADPH;
暗反应为光反应提供了ADP、Pi、NADP+
光合作用过程的正确顺序是（　）
①二氧化碳的固定 ②氧气的释放 ③叶绿素吸收光能
④水的光解⑤三碳化合物被还原
A.④③②⑤① B.④②③⑤① C. ③②④①⑤ D.③④②①⑤
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．［Ｈ］ 　Ｄ．氧气　
Ｄ
Ｂ
讨论：叶绿体处不同条件下，C3、C5、NADPH、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化
条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O)
停止光照 CO2供应不变
光照不变 停止CO2供应
增加
减少
增加
减少
减少
减少
减少
增加
光能
H2O
CO2
还
原
（CH2O）
叶绿体
色素
供氢
酶
供能
多种酶参加催化
2C3
C5
固定
ADP+Pi
ATP
酶
水在光下分解
O2
NADPH
NADP+
如果糖类运不出去，会怎样呢？
光合作用中元素的转移
①H的转移：
H2O → NADPH → (CH2O )
②C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
③O的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
CO2+H2O*
光能
叶绿体
（CH2O）+O2*
H2O* →O2*
光合作用原理的应用
指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量，又称光合速率。
1）光照
2）温度
3）二氧化碳浓度
4）水分
5）矿质元素
影响光合作用强度的因素：
光合作用的强度：
衡量指标：
1）原料消耗
2）产物生成(有机物或O2)
用一水生植物做如图所示的处理，不影响单位时间内产生气泡数的是(　　)
A．玻璃容器的容积
B．台灯与玻璃容器的距离
C．溶于水中的CO2的量
D．水生植物的叶片数
【答案】A　
【解析】台灯与玻璃容器的距离决定了光照强度，溶于水中的CO2是光合作用的原料，水生植物叶片数目决定了叶绿体数目。
总光合速率=净光合速率+呼吸速率
问题：实验所测是否为叶片实际光合作用强度？
O2
CO2
O2
CO2
较强光照时
光照强度对光合作用强度的影响
(1)A点时，光照强度为0，对应的CO2来源于哪些生理过程？其释放量的含义是什么？
答： A点时，光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，其单位时间内释放的CO2量，可表示此时的细胞呼吸速率。
A
光照强度对光合作用强度的影响
(2)B点时，所对应的CO2吸收量和释放量为0，试分析此时光合速率与细胞呼吸速率的关系及B点的含义。
答：B点时，细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合速率＝呼吸速率，此点为光补偿点。
光补偿点
光补偿点：光合作用强度等于呼吸作用强度时的光照强度
B
光照强度对光合作用强度的影响
(3)C点时，CO2吸收量达到最高，请讨论C点的含义并分析CO2吸收量达到最高前、后的主要限制因素分别是什么？
答：当达到C点后，光合作用不再随光照强度的升高而增加，称之为光饱和点。
CO2吸收量达到最高前的主要限制因素是光照强度，CO2吸收量达到最高后的主要限制因素为温度和CO2浓度。
C
光照强度
0
CO2吸收
CO2释放
A
B
C
阳生植物
呼吸速率
光补偿点
光饱和点
阴生植物
A1
B1
C1
净光合
总光合
（B：光合=呼吸）
（C'：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）
C'
（B1：阴生植物呼吸作用较弱，对光的利用能力也不强）
（AB：光<呼）
（BC：光>呼）
呼吸
阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，如图中虚线所示。间作套种农作物，可合理利用光能。
1.适当提高光照强度
2.延长光合作用时间
3.合理密植—
增加光合作用面积
4.间作套种
5.温室大棚
使用无色透明玻璃
6.补光
----红光和蓝紫光
光合作用原理的运用—光照
光照强度、光质不同、日变化
　 光合作用整套机构对温度比较敏感，温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱。光合作用的最适温度因植物种类而异。
呼吸作用
光合作用
温度
吸收或释放量
CO2
0
温度对光合作用强度的影响
温室栽培中，可适当提高白天温度，适当降低夜间温度，从而提高作物产量（有机物积累量）。
晴朗夏季的某绿色植物光合作用一昼夜中CO2吸收量和释放量变化曲线图。分析各点含义及成因：
光合作用强度=呼吸作用强度
下午6时左右，
光合作用强度=呼吸作用强度
温度低，呼吸作用很弱
b开始进行光合作用
光合作用强度<呼吸作用强度
光合作用强度>呼吸作用强度
光合作用强度<呼吸作用强度
只进行呼吸作用
CO2对光合作用强度的影响
c点：
e点：
a点：
b点：
bc段：
ce段：
ef段：
fg段：
CO2对光合作用强度的影响
晴朗夏季的某绿色植物光合作用一昼夜中CO2吸收量和释放量变化曲线图。分析各点含义及成因：
有机物总量变化：
在c点之前在逐渐减少；
ce段逐渐增加，
e点一天中有机物积累量最多的点；
e点之后有机物总量又逐渐减少。
“光合午休”现象
温度过高，大量气孔关闭，
CO2无法进入叶肉组织，光合作用暗反应受到限制。
d点：
资料：我国北魏时期的农书《齐民要术》中，有关于栽种农作物要“正其行，通其风”的记载。
通风透光，既有利于充分利用光能，又可以使空气不断流过叶面，提供较多的CO2，从而提高光合作用强度来光合产量。
问题：分析采取这种措施的原因是什么？
光合作用原理的运用—CO2
矿质元素对光合作用强度的影响
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
应用：合理施肥
多因子变量对光合速率的影响
分析多因素对光合作用的影响。
(1)图中的自变量是什么？
(2)只有10 ℃这一条曲线时，自变量是什么？P点之前和之后的限制因素是什么？
(3)Q点时，导致三条曲线不同的自变量是什么？
延长光合作用时间
增加光合作用面积
提高光能利用率
控制光照强弱
控制光质
控制CO2供应
控制必需矿质元素供应　
提高复种指数
温室中人工光照
合理密植
间作套种
通风透光
在温室中施农家肥，使用CO2发生器
阴生植物
阳生植物
提高光合速率
——适时适量施肥
3. 提高农作物产量措施
内因：
外因：
基因决定酶种类数量不同
水分—应用：合理灌溉
矿质元素—应用：合理施肥
温度—影响酶的活性应用：适时播种、昼夜温差大“午休”
CO2浓度—升高CO2的浓度：通风、混养、使用农家肥、加干冰……
光质（光的颜色）
光照
光照时间： （应用：延长光照时间：一年两/三熟）
光合面积（叶面指数）（应用：合理密植、间苗、剪枝；适当升高
光强度，间作套种（提高光能的利用率）
不同植物光合作用不同；
不同部位（叶）光合作用不同；
不同叶龄的叶光合作用不同。
影响光合作用因素总结
（应用：大棚种植用红光或
蓝紫光的灯管；无色透明的薄膜）
光合作用的意义
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
自养生物：能够直接把从外界环境摄取的无机物转变成为自身的组成物质，并储存了能量的一类生物
异养生物：不能直接利用无机物制成有机物，只能把从外界摄取的现成的有机物转变成自身的组成物质，并储存了能量的一类生物
生物
例如：硝化细菌
2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
硝化细菌
2HNO2+O2 2HNO3+能量
硝化细菌
6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2
能量
化能合成作用
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。
氨氧化成亚硝酸，进而将亚硝酸氧化成硝酸，这两个反应释放出的化学能，被硝化细菌用来将CO2和H2O合成糖类。
光合作用与能量转化
光合作用
光合作用应用
概念
反应式
探究历程
影响因素：光照、温度、二氧化碳、水分、矿质元素
硝化细菌
光合作用原理
过程
光反应：类囊体薄膜
暗反应：叶绿体基质
化能合成作用
CO2 + H2O （CH2O)+O2
光能
叶绿体
知识总结：
课堂精练
判断题
（1）光反应阶段发生在叶绿体内膜和类囊体薄膜上（ ）
（2）高等绿色植物白天进行光反应，夜晚进行暗反应（ ）
（3）光反应为暗反应提供NADPH和ATP（ ）
（4）光合作用产生的O2中的O来自CO2和H2O（ ）
（5）绿色植物进行光合作用的能量来源于光能（ ）
×
×
√
×
√
2.下图是光合作用过程图解，请分析后回答下列问题：
①图中A是______,B是_______,它来自于______的分解。
②图中C是_______，它被传递到叶绿体的______部位，用于_________ 。
③图中D是____，在叶绿体中合成D所需的能量来自______
④图中G________,F是__________,J是_____________
⑤图中的H表示_______， I表示________，H为I提供__________
光
H2O
B
A
C
D
E+Pi
F
G
CO2
J
H
I
Ｏ2
水
NADPH
基质
用作还原剂且提供部分能量
ATP
光能
光反应
NADPH和ATP
色素
C5化合物
C3化合物
糖类
暗反应
Ａ→Ｇ
Ｃ
下图为6月份北方某晴天一昼夜玉米植株对ＣＯ2吸收、释放量的变化曲线图，据图回答：
（1）白天是指Ｏ→Ｋ中的哪一段时间_________；其中光合作用最强时刻是 ；有机物积累最多的时刻是在_____。
( 2）Ｅ→Ｆ出现ＣＯ２吸收量下降是由于__________________________________________。
（3）在Ｃ→Ｄ强光下可观察到大量叶片的气孔关闭现象，所以引起________________。
（4）光合作用强度超过呼吸作用强度的时间段_____。
ＣＯ２的吸收量下降
Ｂ→Ｆ
了光反应的进行 ,影响有机物的合成,使CO2的吸收量下降以至停止.
光照强度较弱影响
F
THANKS

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