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第4节 光合作用与能量转化
人教版 必修1
第二课时
通过概述光反应与暗反应的过程及二者之间的关系，形成细胞生命过程中存在“物质与能量变化”等的生物学观念。
能够基于“假说-演绎”法，自制实验装置，改进实验方法，分组探究，深化相关生物学概念。
能够基于光合作用的过程及原理，关注社会生活问题，尝试为“如何提高人工光合作用的效率”提出合理建议，提高社会责任意识。
光合作用是怎样进行的？
光合作用过程中物质变化与能量转化有什么关系？
光合作用原理在生产中有哪些应用？
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。
CO2 + H2O （CH2O）+O2
光能
叶绿体
(CH2O)表示糖类
叶绿体如何将光能转化为化学能？又是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呢？
1937年·英国科学家希尔
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。
铁盐等氧化剂
O2
只有H2O
没有CO2
离体的叶绿体悬浮液
希尔反应
离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应称作希尔反应。
4Fe3+ + 2H2O
4Fe2+ + 4H+ + O2
光能
叶绿体
（HILL REACTION）
探索光合作用原理的部分实验
讨论
希尔顿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水？
不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
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。
能够说明。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，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。
讨论1
讨论2
1941年·美国科学家鲁宾（S.Ruben)和卡门（M.Kamen)
讨论3
分析鲁宾和卡门做
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 。
的实验得出什么结论？
对比实验 相互对照
光照射下的小球藻悬液
CO2
18O2
C18O2
O2
H218O
H2O
1954年·美国科学家阿尔农
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。
思考：从该实验，你能得出什么结论？
讨论4
尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
ATP的合成场所 类囊体
H2O
光能
叶绿体
O2 + H+ + 能量
合成条件 需光（酶）
ADP + Pi
ATP
19世纪末
1928年
1937年
1954年
1941年
甲醛 → 糖
甲醛对植物有毒，不能通过光合作用转化成糖
希尔反应
水的光解产生氧气
鲁宾和卡门
同位素标记法光合作用氧气来自于水
阿尔农
光照下叶绿体合成ATP该过程总是与水的光解相伴
光合作用的过程
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。
光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应，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。
反应过程是否需要光能
光反应（光合作用第一阶段）
暗反应（光合作用第二阶段）又称碳反应
有光才能反应
有光、无光都能反应
阅读教材103页，尝试从场所、条件、物质能量变化角度分析，叙述光合作用的光反应过程
1.场所
类囊体薄膜
2.条件
ADP
光
色素
酶
水
Pi
NADP+
光合作用的过程
(一) 光反应阶段
水的光解：
ATP的合成：
2H2O O2+ 4H++4 e-
光
色素
NADPH的合成：
光能
ATP、NADPH中活跃的化学能
ADP + Pi + 能量 ATP + H2O
酶
NADP+ + H+ +2 e- NADPH
酶
暗反应有光可以进行吗
NADPH和ATP来自哪里
反应场所在哪里进行
3.物质变化
4.能量变化
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。在叶绿体基质中进行。
(二) 暗反应阶段
CO2是如何转变成糖类的呢？
20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻做了这样的实验：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，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。
物质转化
CO2的固定
C3的还原
2C3 (CH2O)+C5
酶
ATP、NADPH
能量转变
ATP、NADPH中活跃的化学能
有机物中稳定的化学能
CO2 + C5
2C3
完善光合作用的示意图
H2O
光解
O2
ATP
ADP+Pi
NADP+ + H+
NADPH
酶
光反应阶段
类囊体薄膜
多种酶参加反应
固定
还原
CO2
C5
2C3
(CH2O)
暗反应阶段
叶绿体基质
思考讨论
1、光反应和暗反应在所需条件、进行场所、发生的物质变化个能量转化等方面有什么区别？
光反应 暗反应
所需条件
进行场所
物质变化
能量转化
必须有光
类囊体薄膜
有光或无光均可
叶绿体基质
光能转化为ATP和NADPH中的化学能
ATP和NADPH中的化学能转变为有机物中稳定的化学能
2、光反应和暗反应在物质变化和能量转化方面存在什么联系？
物质联系：光反应生成的ATP和NADPH供暗反应C3的还原，而暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP＋。
光反应和暗反应紧密联系，能量转换与物质变化密不可分
光反应
暗反应
NADPH、ATP
ADP、Pi、NADP+
能量联系：光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。
光合作用元素转移
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
H的转移
C的转移
O的转移
H2O
NADPH
(CH2O )
CO2
C3
(CH2O )
CO2
C3
(CH2O )H2O
O2
正常进行光合作用的植物，突然停止光照后，C3、C5、[H] 、ATP含量如何变化？若突然停止CO2的供应呢？
条件 停止光照CO2供应不变 突然光照 CO2供应不变 光照不变 停止CO2供应 光照不变
增加CO2供应
C3
C5
ATP
NADPH
增加
减少
减少
减少
减少
增加
增加
增加
减少
增加
增加
增加
增加
减少
减少
减少
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
硝化细菌
2HNO3 + 能量
6CO2 + 6H2O
能量
2C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 12H2O
C6H12O6 + 6H2O + 6O2
光能
叶绿体
光合作用强度
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
单位时间内有机物的制造量或合成量
2
单位时间内O2的生成量或产生量
3
单位时间内CO2的消耗量或固定量
光合作用原理的应用
1.实验原理
（1）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
（2）根据单位时间小圆形叶片浮起的数量的多少，探究光照强度与光
合作用强度的关系。
①自变量
光照强弱
②因变量
光合作用强度
（一）探究环境因素对光合作用强度的影响
2.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（避开大叶脉）
（2）将圆形小叶置于注射器内。注射器内吸入清水，待排出注射器内残留的空气后，用手指堵住注射器前端的小孔并缓慢地拉动活塞，使圆形小叶片内的气体逸出。这一步骤可能需要重复2-3次。处理过的小叶片因为细胞间隙充满了水，所以全部都沉到水底。
(3)将处理过的圆形小叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。
(4)取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水。
(5)向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，然后分别置于强、中、弱三种光照下。实验中，可用5W的LED作为光源，利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度。
观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量。或上浮相同数量的小圆形叶片各实验装置所用时间。
(6)观察并记录同一段时间段内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量。
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
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。
CO2 + H2O
光能
叶绿体
（CH2O）+ O2
CO2浓度
气孔开闭情况
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
内因
1
酶的种类、数量
2
色素的种类和含量
3
植物自身因素（遗传特性、叶龄、叶面积指数等）
外因
1
光（强度、时间、光质等）
2
CO2浓度
3
温度
4
矿质元素
5
水分
（二）影响光合作用强度的因素
光补偿点
光饱和点
限制因素：CO2浓度、色素、酶等
当植物接受的光照处于光补偿点时①植株：光合 呼吸
②叶肉细胞：光合 呼吸
=
＞
1.光照强度
只呼吸不光合
呼吸 ＞ 光合
A点
AB段
呼吸 ＝ 光合
B点
呼吸 ＜ 光合
BC段
应用： 。
合理密植、间作套种
2. CO2浓度
吸收CO2
释放CO2
CO2浓度
0
A
B
C
D
B点
C点
D点
实际应用
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
注意通风透气（正其行通其风）
CO2启动点
CO2补偿点
CO2饱和点
表示进行光合作用所需CO2的最低浓度
表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度
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
3. 温度
光合速率
0
温度/ ℃
A
B
C
25
30
最适温度下植物光合作用最大，一般光合作用最适温度25-30℃之间。
温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱。
实际应用
1
适时播种
2
温室中，白天适当提高温度，晚上适当降温
3
植物“午休”现象
4.水分和矿质元素
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
缺水
气孔关闭
限制CO2进入叶片
光合作用受影响
保卫细胞吸水
气孔张开

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