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5.4 光合作用与能量转化
第5章 细胞的能量供应和利用
01
捕获光能的色素和结构
02
光合作用的原理和应用
2
光合作用的原理和应用
聚焦
1
光合作用是怎样进行的？
2
光合作用过程中物质变化与能量转化
有什么关系？
3
光合作用原理在生产中有哪些应用？
解决以下问题，展示学习成果：
什么是光合作用？
光合作用化学反应方程式？
2.1 光合作用
CO2+H2O (CH2O)+O2
光能
叶绿体
指绿色植物通过 ，利用 ，把 和 转化成储存着 的 ，并且释放出 的过程。
①概念：
②反应式：
③实质：
合成有机物，储存能量
叶绿体
光能
二氧化碳
水
能量
有机物
氧气
光合作用
产物是葡萄糖时：
探索光合作用原理的部分实验
1、19世纪末
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
→
→
糖
2、1928年 甲醛不能通过光合作用转化成糖
甲醛对植物有毒
3、1937年
希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？
离体叶绿体
铁盐(或其他氧化剂)
H2O
2H+
+ O2
光照
希尔反应
能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。
水的光解
希尔反应是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？
不能，反应体系中可以还存在其他氧元素供体。
O2产生与CO2无关
4、1941年，鲁宾、卡门实验
实验结论：
实验方法：
同位素示踪法
（同位素标记法）
光合作用产生的O2来自于H2O，不来自CO2。
（补充方程式）
5、1954年，阿尔农
在光照时，叶绿体中生成了ATP。
这一过程总是与水的光解相伴随。
上述实验表明:
光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。　
总结
光合作用过程
根据是否需要光能，可概括为光反应和暗反应（碳反应）。
光合作用的过程
（1）光反应阶段
光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。
光反应阶段
物质变化:
能量转化:
条 件：
场 所：
水的光解：
H2O → O2+H+
ATP的合成：
ADP + Pi + 能量 → ATP
酶
NADPH的合成：
NADP++H++2e-→NADPH
光能→ATP和NADPH中的活跃化学能
叶绿体的类囊体薄膜
光、色素、酶
光合作用的过程
酶
酶
光合作用的过程
（2）暗反应阶段
光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的。
暗反应阶段
物质变化:
能量转化:
条 件：
场 所：
叶绿体基质
有没有光都能进行、多种酶、CO2
CO2的固定：CO2+C5→2C3
酶
C3的还原：2C3 C5+(CH2O)
酶
ATP、NADPH
ATP和NADPH中的活跃化学能→有机物中稳定的化学能
ATP →ADP + Pi + 能量
酶
NADPH→NADP++H++2e-
酶
ATP水解：
NADPH分解：
3. 光合作用的过程
卡尔文循环
20世纪40年代，卡尔文用14C标记的CO2供小球藻实验，追踪检测其放 射性。探明CO2中的C的转移途径。
（1）向反应体系中充入一定量的14CO2,光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
（2）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中 。
（3）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)。
14C5
14CO2
14C3
（14CH2O）
CO2转化成有机物过程中，C的转移途径是：
同位素标记法
卡尔文循环
【问题1】总结光合作用过程中的能量的转移途径？
ATP和NADPH中活跃的化学能
有机物中稳定的化学能
光能
【问题2】分析光反应和暗反应之间的联系？
光反应为暗反应提供ATP、NADPH,暗反应为光反应ADP、NADP+；
光反应和暗反应互相影响，相互制约，都不能长期独立进行。
【合作探究】
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
光合作用的全过程
光合作用的全过程
光反应
暗反应
光反应与暗反应的比较
反应阶段
场所
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
叶绿体基质
必须有光、光合色素、酶
有光或无光均可，多种酶
光能→ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物稳定的化学能
NADPH、ATP、O2
（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+
把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来
①H的转移：
H2O → NADPH→ (CH2O )
②C的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
③O的转移：
CO2 → C3 →（CH2O）
H2O → O2
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
光合作用中元素的转移
光合作用与呼吸作用
光合作用 呼吸作用
场所
条件
物质变化
能量变化
实质
叶绿体
光能→化学能
细胞质基质及线粒体
需要光
无机物→有机物
有机物→无机物
化学能→ATP+热能释放
合成有机物、储存能量
分解有机物、释放能量
有光无光都可以
光合作用与呼吸作用能量联系
条件骤变对光合作用中各物质的影响
当条件改变时，C3、C5、ATP、NADPH、（CH2O)含量变化(短时间内变化）
当条件改变时，C3、C5、ATP、NADPH、（CH2O)含量变化(短时间内变化）
探究环境因素对光合作用的影响
自变量：
光照强弱
因变量：
光合作用强度
检测方法
相同时间小圆形叶片浮起的数量
控制方法
不同瓦数的灯或相同瓦数台灯离实验装置的距离
注射器的作用：
实验材料：
圆形小叶片
排出圆形小叶片中的气体
二、探究环境因素对光合作用的影响
盛水玻璃柱，排除温度对实验结果的影响
方法步骤：
1）打孔：用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片
2）将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出
二、探究环境因素对光合作用的影响
3）将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存，小圆形叶片全部沉到水底
4）取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
5）分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片，然后分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照(3盏40W台灯分别向3个实验装置照射，光照强弱可通过调节台灯与实验装置间的距离来决定)。
光源会产生热量，导致温度不同，所以为了保证单一变量，应该加一个盛水玻璃柱，排除温度对实验结果的影响。
冷光源
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
甲
乙
丙
叶片浮起数量多
叶片浮起数量中
叶片浮起数量少
强
中
弱
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
项目　 　 烧杯　 　 小圆形叶片 加富含CO2 的清水 光照强度 叶片浮起数量
1 10片 20 mL 强 多
2 10片 20 mL 中 中
3 10片 20 mL 弱 少
6）观察并记录结果
实验结论：
在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
讨论：利用该装置还能探究哪些环境因素对光合作用的影响？
这些因素分别如何控制呢？
提示：CO2浓度（吹气时间或不同质量分数的NaHCO3溶液）、
温度（水浴保温）、
光质（不同颜色的彩色灯泡）
方法步骤：
二、探究环境因素对光合作用的影响
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
6CO2+6H2O (CH2O) + 6O2
能量
硝化细菌：原核生物；自养；有氧呼吸（细胞质）
光合作用原理的应用
光合作用强度的表示方法
单位时间内
固定CO2的量
制造或产生有机物（糖类）量
产生O2的量
四、光合作用原理的应用
光合作用强度：（一般用光合速率表示）
植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
产物的生成量或底物的消耗量！
四、光合作用与细胞呼吸之间的关系
植物“三率”的内在关系
2000
5000
-3000
入不敷出
5000
5000
0
拮据的生活
8000
5000
3000
生活美滋滋
真正光合速率
（总光合速率）
呼吸速率
净光合速率
（表观光合速率）
总收入
消费
净收入
总光合速率：
区分总光合速率、净光合速率、呼吸速率
呼吸作用速率：
真正的合速率/实际光合速率
制造或合成有机物的量
产生O2的量
固定或消耗CO2量
净光合速率：
有机物积累量
CO2吸收量
O2的释放量
消耗有机物的量
O2的吸收量
CO2的释放量
黑暗中测量
总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸作用速率
补充净光合知识点
表观光合速率
CO2＋H2O （CH2O）＋O 2
光能
叶绿体
(色素、酶）
①Mg等矿质元素
②温度影响酶的活性
光照强度、光质、光照时间、光照面积
CO2浓度
①作为反应物
②水分→气孔关闭→CO2供应
影响光合作用的因素
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
净光合速率
总光合
速率
B：光合作用强度=呼吸作用强度，此时光照强度为光补偿点
D：光合作用强度达到最大时，所需的照强度为光饱和点
D
AB：光合作用<呼吸作用
BC：光合作用>呼吸作用
呼吸速率
A:只进行呼吸作用
外因：（1）光照强度
影响光合作用的因素
消耗有机物的量
O2的吸收量
O2的释放量
有机物积累量
CO2固定量
O2的产生量
有机物制造量
OA:表示呼吸作用。若呼吸作用↑，A点下移。若呼吸作用↓，A点上移。
C点之前影响光合作用强度的因素是光照强度；C点之后影响因素不是光照强度，而是其他影响因素，例如温度，CO2浓度等
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
解读：曲线与细胞图示相结合
光照下CO2的吸收量
黑暗中CO2的释放量
曲线c：净光合速率
曲线d：呼吸速率
E点：
净光合速率等于呼吸速率
总光合速率是净光合速率的2倍
曲线a、b的差值：
净光合作用强度
光合作用强度 = 呼吸作用强度
D点：
净光合作用强度为0
【典型曲线分析】
阴生植物：是指在弱光条件下比强光条件下生长良好的植物。
阳生植物：在强光环境中生长发育健壮，在阴蔽和弱光条件下生长发育不良的植物称阳性植物
阴生植物
阳生植物
阳生植物和阴生植物
光照强度
0
A
B
C
阳生植物
阴生植物
A1
B1
C1
应用：
合理密植，间作套种。
曲线表示的是阳生植物的光合速率，阴生植物的曲线该如何画？
CO2吸收速率
CO2
释放
速率
阴生植物的光补偿点和光饱和点比阳生植物的小。
阳生植物和阴生植物
1.适当提高光照强度
2.延长光合作用时间
3.合理密植
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
影响光合作用的因素
外因：（1）光照强度
应用
外因：（1）光照时间
（c有机物积累最少，e有机物积累最多）
（光合作用b开始，f结束）
（整个过程都有呼吸作用）
d点解释：温度过高，为减少蒸腾作用，气孔关闭，CO2供应减少，光合速率下降，出现“午休”现象
能力提升 自然环境与密闭环境植物光合作用问题
一天中温室大棚中CO2的变化
AC段：
BC段：
CD段：
开始有了光合作用，吸收了呼吸释放的部分CO2，但光合作用强度小于细胞呼吸强度；
D点：
没有光照，只有细胞呼吸释放CO2
温度较低，呼吸释放CO2速率较小
光合速率等于呼吸速率
一天中温室大棚中CO2的变化
DH段：
FG段：
H点：
光合速率等于呼吸速率
I点：
光合速率大于呼吸速率，积累有机物
光合午休现象
CO2浓度大小跟A点相比减小，减少的CO2转化成有机物积累在植物体内。说明有有机物的积累
HI段：
光照继续减弱，光合作用强度小于细胞呼吸强度，直至光合作用完全停止；
.
2.2 拓展应用
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：
（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。
光照不断减弱，光合作用强度不断减弱。
外因：（2）CO2浓度
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
最大光合作用强度
B点：
C点：
讨论：C点之后光合速率的限制因素有哪些？（提示：外因、内因）
外因：主要为光照强度和温度，
内因：酶的数量和活性。
对应的D点为CO2饱和点
影响光合作用的因素
原理：
CO2浓度主要影响暗反应阶段，制约C3的形成；
A′点：表示进行光合作用所需CO2的最低浓度；
B′点：CO2饱和点（表示在一定范围内CO2浓度达到该点后，光合作用强度不再随CO2浓度增加而增加）。
外因：（2）CO2浓度
影响光合作用的因素
外因：
应用
（2）CO2浓度
1.增加空气流动，以增加CO2浓度。
2.多施有机肥或农家肥，增加CO2浓度；
3.温室栽培可使用CO2发生器等；
“正其行，通其风”
（微生物呼吸作用分解有机肥，释放CO2 ）
外因：（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。
温度过高时植物 ，光合速率会减弱。
酶的活性
暗
气孔关闭
影响光合作用的因素
AB：在B点之前，随着温度升高，酶活性增大，光合作用强度增大。
B：B点是酶的最适温度，光合作用强度最大。
BC：随着温度的升高。酶的活性逐渐下降，光合速率减小。
外因：（3）温度
O
温度
A
光合速率
B
C
1.温室中,加大昼夜温差，从而提高作物产量（有机物积累量）。
2.解释植物“午休”现象。
应用：
影响光合作用的因素
缺水
气孔关闭
限制CO2进入叶片
光合作用受影响
原理：水既是光合作用的 ，又是体内各种化学反应的 ，直接影响光合作用速率；
水分还能影响气孔的 ，间接影响 进入叶片，从而影响光合作用速率。
外因：（4）水
应用：合理浇灌
原料
介质
开闭
CO2
影响光合作用的因素
外因：（5）矿质元素
N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分；
P：NADP+和ATP的重要组分；
Mg：叶绿素的重要组分。
应用：合理施肥（无机肥）
提示：矿质元素含量过高，根细胞很难吸水，甚至失水，光合速率也会下降，甚至停止。（烧苗现象）
影响光合作用的因素
光合作用强度的多因素影响
限制光合速率的因素为横坐标所示的因素，随该因素的不断加强，光合速率不断提高
P点之前：
Q点：
横坐标所示的因素不再是限制光合速率的因素，影响因素为坐标图中所标示出的其他因素
三、影响光合作用强度的因素
2
课堂小结
2. 课堂小结
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
2
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。（ ）
2.1 概念检测
√
×
×
.
2. 如果用含有14C的CO2来追踪光合作用中碳原子的转移途径，则是 （ ）
A. CO2→叶绿素→ADP
B.CO2→叶绿体→ATP
C.CO2→乙醇→糖类
D.CO2→三碳化合物→糖类
D
2.1 概念检测
.
3. 根据光合作用的基本过程填充下图
2.1 概念检测
O2
2C3
C5
NADPH
ATP
ADP+Pi
NADP+
.
2.2 拓展应用
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：
（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。
光照不断减弱，光合作用强度不断减弱。
.
2.2 拓展应用
2.在玻璃瓶底部铺一层潮湿的土壤，播下粒种子，将玻璃瓶密封，放在靠近窗户能照到阳光的地方，室内温度保持在30℃左右。不久，这粒种子萌发长成幼苗。你能预测这株植物幼苗能够生存多长时间吗 如果能，请说明理由。如果不能，请说明你还需要哪些关于植物及其环境因素的信息。
.
2.2 拓展应用
提示：植物的生活需要无机盐、阳光、适宜的温度、空气(含有二氧化碳)，从给出的信息可以看出，植物生长的基本条件都是满足的。因此，只要没有病虫害等利因素，这株植物(幼苗)就能够生存一段时间。但究竟能够生存多长时间，涉及的问题很多。
潮湿的土壤含有水分，植物根系吸收水分后，大部分可通过蒸腾作用散失到空气中，由于瓶是密闭的，散失到空气中的水分能够凝结，回归土壤供植物体循环利用。但是，随着植株的生长，越来越多的水分通过光合作用成为有机物的组成部分，尽管有机物能够通过呼吸作用释放出二氧化碳和水(这些水既可以散失到空气中回归土壤，也可以在叶片细胞中直接用于光合作用)，毕竟有机物是断积累的，这意味着回归到土壤的水分会越来越少，有可能成为影响植物生存的限制因素。因此，要预测植物生存的时间，需要知道土壤含水量和植物体内有机物积累速率等信息。
.
2.2 拓展应用
土壤中的无机盐被植物根系吸收以后，绝大部分成为植物体的组成成分(少量可能随落叶归还土壤)，因此难以循环用，但植物对无机盐的需要量是很少的，土壤中无机盐到底能满足植物体生长多长时间的需要与土壤的多少、土壤中各种无机盐的含量、植株的大小等有关，这些信息是任务提示中没有给出的，因此不能从这方面做出准确预测。
从给出信息可知，在阳光和温度方面不存在制约瓶中植物生存的问题。二氧化碳是植物进光合作用必需的原之一，瓶中的二氧化碳通过植物的光合作用被植物体用，转化为有机物。有机物通过植物的呼吸作用分解成二氧化碳和水，可见二氧化碳在植物体和瓶中空气之间是可以循环的。但是随着植株的生长，有机物会不断积累，这意味着空气中所含的二氧化碳会逐渐减少。
.
2.2 拓展应用
要预测瓶中二氧化碳能维持植物体生存多长时间，还需要知道瓶中二氧化碳总、植物体光合速率、呼吸速率或有机物积累速率等信息。
上述推理大多是建立在植物体不断生长基础上的，这是因为玻璃瓶容积小，植物幼苗正在处于生长期。此外，瓶中植物生存时间的长短，还与植物的种类有关。如果是寿命很短的某种草本植物，即使瓶中各种条件长久适宜，植物生存的时间也不会长。
复习与提高
一、BBBCDD
二、
2.（1）随CO2浓度增加，光合速率提高
CO2参与暗反应，CO2增加，CO2的固定过程加快，光合速率增加
（2）NADPH和ATP限制，固定CO2的酶活性不够高，C5不足，有机物在叶绿体内积累等
（3）可能成立，若植物长期处于CO2倍增下，降低了固定酶的含量或活性，当恢复大气CO2浓度后，已经降低的酶含量或活性未能及时恢复，因此会表现出比大气CO2浓度更低的光合速率。
谢谢聆听!
同学们辛苦啦！

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