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(共63张PPT)
第五章 细胞的能量供应和利用
5.4 光合作用与能量转化
问题探讨
植物工厂
问题探讨
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径
捕获光能的色素和结构
思考：
植物的叶片中含有哪些色素呢？
玉米中有时会出现白化苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去。
叶片中的色素可能与光能的捕获有关
绿叶中色素的提取和分离
捕获光能的色素和结构
提取色素要注意什么？
破碎细胞和叶绿体，释放色素。
保证色素的结构和活性不被破坏。
使色素溶解于试剂中。
捕获光能的色素和结构
提取色素要注意什么？
破碎细胞和叶绿体，释放色素。
保证色素的结构和活性不被破坏。
使色素溶解于试剂中。
剪碎研磨
加入少许二氧化硅
加入少许碳酸钙
色素可以溶解在有机溶剂无水乙醇中
绿叶中的色素是一种还是多种？
绿叶中色素的提取和分离
捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取和分离
提取原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中。
分离原理：各种色素在层析液中的溶解度不同,溶解度高的随层析液在滤纸条上的扩散更快，反之则慢。
实验方法
提取方法：过滤法
分离方法：纸层析法
实验原理
材料
步骤
结果
原理
分析
捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取和分离
材料
步骤
结果
原理
分析
捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取和分离
提取绿叶中的色素
材料
步骤
结果
原理
称取5 g 绿叶，剪去主动脉，剪碎，放入研钵中
向研钵中放入少量二氧化硅和碳酸钙，再加入5~10 mL 无水乙醇，迅速、充分地进行研磨
分析
捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取和分离
提取绿叶中的色素
材料
步骤
结果
原理
将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中(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
分析
捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取和分离
分离色素——制备滤纸条
材料
步骤
结果
原理
保证滤纸条上的滤液细线能水平向上扩展
将干燥地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
在滤纸条一端剪去两角
在距去角一端1 cm 处用铅笔画一条细的横线
铅笔线
剪两角
分析
绿叶中色素的提取和分离
分离色素——画滤液细线
材料
步骤
结果
原理
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线
积累更多的色素，使分离后的色素带更明显
划线要求：细、直、齐 ；重复2-3次
捕获光能的色素和结构
分析
待滤液干后，再重画一到两次
绿叶中色素的提取和分离
分离色素——分离绿叶中的色素
材料
步骤
结果
原理
滤液细线不能触及层析液
及时盖上培养皿
防止色素溶解在层析液中
防止层析液挥发，因其易挥发且有毒
捕获光能的色素和结构
分析
将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液
将适量的层析液倒入小烧杯中
用培养皿盖住小烧杯
绿叶中色素的提取和分离
材料
步骤
结果
原理
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
滤纸上有几条色素带？
从上而下的排序说明了什么？
4条
不同条带的宽窄说明了什么？
含量不同
溶解度不同
捕获光能的色素和结构
分析
绿叶中色素的提取和分离
材料
步骤
结果
原理
分析
叶绿素
类胡萝卜素
（含量约3/4）
（含量约1/4）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
绿叶中的色素
捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取和分离
材料
步骤
结果
原理
分离色素——分离绿叶中的色素
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
分析
捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取和分离
材料
步骤
结果
原理
分析
捕获光能的色素和结构
异常现象
原因
收集到的滤液绿色过浅
滤液条带色素带重叠
滤纸条
无色素带
①称取的绿叶过少或放置数天的菠菜叶，色素含量少；
②加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小；
③未加碳酸钙或加入的过少，色素分子部分破坏；
④研磨不充分，色素未能充分提取出来
①滤液细线不直；
②滤液细线过粗
①忘记画滤液细线；
②滤液细线触及层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中
色素的吸收光谱
叶绿体中的色素提取液
叶绿素主要吸收_____________ 类胡萝卜素主要吸收_______
蓝紫光
蓝紫光、红光
红光区、蓝紫光区出现了暗带
捕获光能的色素和结构
色素的吸收光谱
叶绿素主要吸收_____________ 类胡萝卜素主要吸收_______
蓝紫光
蓝紫光、红光
温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？
捕获光能的色素和结构
捕获光能的色素和结构
内膜
外膜
类囊体
基质
基粒
结构
基质：含有与光合作用相关的酶等
双层膜
基粒：由类囊体堆叠而成，其上分布 着与光合作用相关的色素和酶
功能：进行光合作用的场所
捕获光能的色素和结构
思考 讨论——实验一
选材
水绵
需氧细菌
具有细长的带状叶绿体，易于观察现象
准确显示出氧气产生的部位
处理
现象
光照下叶绿体可以释放氧气
极细的光束
黑暗中——集中于叶绿体被 光束照射的部位
光下——分布于叶绿体所有受光部位
水绵
需氧细菌
准备：把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内
排除光线和氧的干扰
光照多和光照少的部位形成对比实验
捕获光能的色素和结构
思考 讨论——实验二
选材
水绵
需氧细菌
具有细长的带状叶绿体，易于观察现象
准确显示出氧气产生的部位
处理
准 备：把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内
透过三棱镜的光照射水绵临时装片
现象
叶绿体吸收光能用于光合作用释放氧
需氧细菌
水绵
需氧细菌
随堂检测
下列关于高等植物细胞内色素的叙述，错误的是（ ）
A.所有植物细胞中都含有4种色素
B.有些植物细胞的液泡中也含有色素
C.叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收光能
D.植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类
A
关于叶绿体结构和功能的叙述，正确的是( )
A.叶片呈现绿色是因为叶绿体吸收了绿光
B.与光合作用有关的酶都分布在叶绿体基质中
C.叶绿体的类囊体巨大的膜面积有利于充分吸收光能
D.在光学显微镜下可见叶绿体内部由类囊体堆叠形成的基粒
C
光合作用的原理
概念
叶绿体如何将光能转化为化学能？
光合作用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？
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。
CO2 + H2O
（CH2O)+ O2
叶绿体
光能
光合作用的原理
19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。
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
→
糖
→
1928年
探索光合作用原理的部分实验
光合作用的原理
1937年
希尔反应
探索光合作用原理的部分实验
实验思路：施加单一变量进行研究
材料：离体叶绿体
结果：叶绿体有O2释放
推测：叶绿体中H2O光解产生氧气。
水的光解
光合作用的原理
1941年
鲁宾和卡门实验
探索光合作用原理的部分实验
实验思路：用放射性同位素标记来研究物质的去路
结论：光合作用产生的O2来自于H2O，不来自CO2
小球藻悬浊液
CO2
H2O
C18O2
H218O
18O2
O2
甲组
乙组
光合作用的原理
探索光合作用原理的部分实验
1946年
卡尔文循环
实验思路：同位素标记14CO2，研究物质转化过程
材料：小球藻
处理：提供光照、14CO2
现象：放射性先出现在14C3，最后出现在14C5、（14CH2O）
结论：光合产物中有机物的碳来自CO2
CO2 C3 (CH2O)
C5
光合作用的原理
探索光合作用原理的部分实验
1946年
卡尔文循环
实验思路：同位素标记14CO2，研究物质转化过程
材料：小球藻
处理①：光照下，突然中断CO2供应
现象①：C3急剧减少而C5量增加
处理②：充足CO2供应下，突然停止光照
现象②：C3浓度急速升高而C5的浓度急速降低
结论：C3与C5之间是相互循环的
C5
2C3
还原的C3
CO2
（CH2O）
多种酶
光合作用的原理
探索光合作用原理的部分实验
1954年
在光照下，叶绿体可合成ATP。
1957年
叶绿体合成ATP的过程，总是与水的光解相伴随。
H2O O2 + NADPH(H+) + 能量
光照
叶绿体
ADP+Pi ATP
光合作用的原理
光合作用中各物质是如何转化的？
光合作用是如何完成能量转换的？
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
光合作用的过程
光合作用的原理
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。
光合作用的过程——光反应
光合作用的原理
条件：光、色素、多种酶
场所：类囊体薄膜
物质转化：
水的光解：
ATP的合成：
H2O O2 + H+ + e-
光
色素
ADP + Pi + 能量 ATP + H2O
酶
NADPH的合成：
NADP+ + H+ + e- NADPH
酶
光能
能量转化:
产物：O2、NADPH、ATP
ATP、NADPH中活跃的化学能
光合作用的原理
光合作用的过程——光反应
类囊体薄膜
的色素分子
可见光
ADP+Pi
ATP
H2O
O2
NADP+
酶
吸收
光解
H+
NADPH
酶
光合作用的过程——暗反应
光合作用的原理
条件：有没有光都能进行，需要多种酶
场所：叶绿体基质
物质转化：
CO2的固定：
C3的还原：
能量转化:
产物：（CH2O）、 ADP 、 Pi
CO2＋C5 2C3
酶
2C3+NADPH （CH2O）+C5
ATP
ADP+Pi
酶
ATP中活跃的
化学能
有机物中稳定的化学能
ATP水解：
光合作用的过程——暗反应
光合作用的原理
2C3
C5
NADPH
ADP + Pi
（CH2O）+H2O
ATP
酶
CO2
还原
酶
供能
卡尔文循环
光合作用的过程——元素去向
光合作用的原理
H的转移：
H2O → NADPH→ (CH2O)
C的转移：
CO2 → C3 →(CH2O)
O的转移：
CO2 → C3 →(CH2O)
H2O → O2
CO2 + H2O
光能
叶绿体
(CH2O)+ O2
光合作用的过程——叶绿体在部分物质运动方向
光合作用的原理
NADPH和ATP：
类囊体薄膜→叶绿体基质
NADP+、ADP、Pi：
叶绿体基质→类囊体薄膜
没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法生成。
光合作用的过程——能量转换
光合作用的原理
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
能量转化与物质变化密不可分
光反应和暗反应的比较
光合作用的原理
反应阶段
反应部位
反应条件
物质变化
能量变化
产 物
联 系 光合作用实质 光反应
暗反应
类囊体薄膜上
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→稳定的化学能
NADPH、ATP、O2
ADP、Pi 、（CH2O ） 、C5
光反应为暗反应提供ATP和[H]，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
环境骤变时光合作用中各物质含量的变化分析
光合作用的原理
CO2浓度不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O）
光照减弱
光照增强
减少
减少
减少
减少
增加
增加
增加
增加
光合作用的原理
环境骤变时光合作用中各物质含量的变化分析
光照不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O）
CO2浓度减少
CO2浓度增加
减少
减少
减少
减少
增加
增加
增加
增加
即时训练
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
D
即时训练
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
光合作用原理的应用
光合作用的强度
概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
表示方法：①单位时间内光合作用产生有机物的量
②单位时间内光合作用利用CO2的量
③单位时间内光合作用产生O2的量
光合作用原理的应用
探究光照强度对光合作用强度的影响
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
实验材料：
圆形小叶片
实验原理：
抽气
叶片下沉
叶片中含有空气，
放入水中会上浮
光合作用
产生O2
O2充满细胞间隙，叶片上浮
实验设计：
光合作用原理的应用
探究光照强度对光合作用强度的影响
实验流程：
打孔：用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片
抽气：将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出
光合作用原理的应用
探究光照强度对光合作用强度的影响
实验流程：
暗处理：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
添加碳源：取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（可以通过吹气补充CO2，也可以用1%~2%的NaHCO3溶液提供CO2）
光合作用原理的应用
探究光照强度对光合作用强度的影响
光照：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(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或使用冷光源，排除温度对实验结果的影响。
强
中
弱
甲
丙
乙
光合作用原理的应用
探究光照强度对光合作用强度的影响
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
2
3
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。
光合作用原理的应用
探究光照强度对光合作用强度的影响
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
总光合速率
O2产生、制造量
CO2固定、同化、消耗量
有机物制造、产生、合成量
净光合速率
O2的释放量
CO2的吸收量
有机物的积累、增加量
呼吸速率
O2消耗量
CO2产生量
有机物消耗量
光合作用原理的应用
光合作用强度的影响因素——光照强度
光照强度
A
B
O
CO2
吸收量
CO2
释放量
光补偿点
光饱和点
c
b
A点：只呼吸不光合
O2
CO2
AB段：呼吸＞光合
B点：
BC段：光合＞呼吸
呼吸＝光合
C
光合作用原理的应用
A
B
C
O
c
b
CO2
吸收量
CO2
释放量
应用：
①阴雨天，温室大棚中适当提高光照强度；
②阴生植物的光补偿点和光饱和点都较低，间作套种时应注意农作物的种类搭配，合理利用光能。
呼吸速率
净光合速率
总光合速率
光合作用强度的影响因素——光照强度
光照强度
光合作用原理的应用
光合作用强度的影响因素——CO2浓度
CO2启动点
CO2饱和点
CO2补偿点
净光合速率
总光合速率
CO2影响暗反应，制约C3的形成
CO2浓度
A
B
C
O
b
c
d
CO2
释放量
CO2
吸收量
D
CO2启动点
CO2
饱和点
CO2浓度
光合
作用强度
a
b
B
A
O
光合作用原理的应用
光合作用强度的影响因素——CO2浓度
CO2浓度
A
B
C
O
b
c
d
CO2启动点
CO2饱和点
CO2补偿点
净光合速率
总光合速率
CO2影响暗反应，制约C3的形成
CO2
释放量
CO2
吸收量
D
应用：
①增施有机肥；
②温室栽培农作物可以投放干冰或与鸡舍相通；
③大田生产时“正其行，通其风”。
光合作用原理的应用
光合作用强度的影响因素——温度
温度
光合
速率
一定范围内，光合速率随温度升高而升高
超过最适温度，光合速率随温度升高而下降
通过影响酶活性影响光合速率
O
应用：
①适时播种；
②温室栽培植物，白天适当升温，提高光合速率；夜晚适当降温，降低呼吸速率。
光合作用原理的应用
光合作用强度的影响因素——水
时间
光合
作用强度
O
7 10 12 14 18
A
B
C
D
E
水是光合作用的原料，可直接影响光合作用
缺水会导致叶片气孔关闭，限制CO2进入叶片，间接影响光合作用
温度过高，为减少蒸腾作用，气孔关闭，CO2供应不足，光合速率下降，出现“午休”现象
应用：及时、合理灌溉
光合作用原理的应用
光合作用强度的影响因素——必需元素供应
N、P、K等必需元素
光合
速率
O
N：光合酶及ATP的重要组分
P： 类囊体膜和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
一定浓度范围内，增加必需元素的供应，可提高光合速率；
但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高，导致植物渗透失水而萎缩。
光合作用原理的应用
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
光合作用强度的多因素影响
光合作用原理的应用
化能合成作用
硝化细菌
NH3
HNO2+能量
HNO3+能量
CO2+H2O
（CH2O）
能量
化能合成：利用环境中某些无机物氧化时释放的能量将CO2和H2O（无机物）合成糖类（有机物）的过程。
化能合成作用
同化作用
光能自养
（光合作用）
化能自养
（化能合成作用）
自养型
异养型
寄生、腐生、捕食
即时训练
图示适宜条件下，甲、乙两种植物叶片的CO2净吸收速率与CO2浓度的关系，下列说法正确的是（　　　）
A.CO2浓度大于a时，甲才能进行光合作用
B.适当增加光照强度， a点将左移
C.CO2浓度为b时，甲、乙总光合作用强度相等
D.甲植物体内 [H] 的含量在CO2浓度为b时比在a时高
B

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