5.4.2光合作用的原理和应用课件-2023-2024学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

第2课时 光合作用的原理和应用 课前自主预习案 自主·预习·先知 一、光合作用的概念[填图] 反应物 产 物 场所 能量 来源 光合作用 1.探索光合作用原理的部分实验 科学家 实验过程或依据 实验结论 科学界普遍认为，在光合作用 中 ， C O₂ 分 子 的 C 和 O 被 分 开 ，O₂ 被释放，C与H₂O 结 合成甲醛，然后甲醛缩合成糖 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 19世纪 末 二、光合作用的原理及探索 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。说明水的光解 与糖的合成不是同一个 化学反应 1 9 3 7 年 苗 天 植物学 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 中有水，没有二氧化碳),在 光照下可以释放出氧气 1941年 美 科学家 鲁 宾和卡 门 CO₂ 18O₂ c¹⁸O₂ O₂ 光合作用释放的O₂全 部来自H₂O H₂⁸o H₂O 1954年 美 科学家 阿尔农 在光照下，叶绿体可合成 ATP,并发现这一过程总是与 水的光解相伴随 光照下叶绿体中发生的 水的光解过程伴随ATP 的产生 探明了CO₂ 中的碳在 光合作用 中转化成 20世纪 40年代 卡尔文 用 ¹⁴C 标 记 C O₂ 有机物中碳_的途径， 即卡尔文循环 2.光合作用的过程 (1)过程及分析[据图填空] H₂O 水的光解 氢 叶绿体 酶( 中的色素 供能 ADP+Pi 供 O₂ 光反应 需光 H₂O→ ADP+Pi→ATP →活跃化学能 场所 条件 物质转化 能量转换 2C₃ 固定 多种酶 参加催化 暗反应 光 活跃化学能→ CO₂ C 5 ATP. 酶 还 原 [H] (CH₂O) (2)反应式 CO₂+H₂O 叶绿体(CH₂O)+O₂ 光能 三 、光合作用原理的应用 1. 光合作用强度 (1)概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量 (2)影响因素和衡量指标： 土壤中水分的多少 空气中CO₂ 的浓度 温度的高低 光照的长短与强弱 以及光的成分 原料消耗的数量 衡量指标产物生成的数量 光合作 用强度 影响因素 将小圆形叶片置于注射器内，并让注射器吸入清 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拉动活塞，使 将小圆形叶片放入黑暗处盛有清水的烧杯中待 用。叶片因细胞间隙 ,所以全部沉到水底 —|取3只小烧杯，分别倒入20 mL 富含 的清水 2. 探究环境因素对光合作用强度的影响 实验流程： 取材 取 ,用直径为1 cm 的打孔器打出 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 三种光照 光照 观察 并记录 同一时间段内各装置中 沉水 分组 排气 效果·检测·定向 1.判断下列有关光合作用叙述的正误 (1)光反应阶段发生在叶绿体内膜和类囊体薄膜上(× ) (2)光反应过程中合成了 ATP, 需要的能量来源于呼吸作用 分解的有机物(× ) (3)光反应的进行不需要任何酶的参与(× ) (4)高等绿色植物白天进行光反应，夜晚进行暗反应(× ) (5)光反应为暗反应提供[H] 和ATP( √ ) (6)暗反应必须在无光的条件下进行( × ) (7)暗反应需要的 ATP 是由光合作用合成的糖经过有氧呼吸 产生的(× ) (8)在离体的叶绿体基质中添加[H]、ATP 和 CO₂ 后，可以完 成暗反应( √ ) (9)光反应和暗反应必须都在光照条件下才能进行(× ) (10)光合作用产生的O₂ 来自CO₂ 和 H₂O 中 的O( × ) (11)绿色植物光合作用的反应物是CO₂ 和 H₂O, 产物是有机 物和O₂ ( √ ) (12)绿色植物进行光合作用的能量来源于光能( √ ) (13)光合作用强度的影响因素有CO₂ 浓度、温度、光照强度 等外界因素( √ ) (14)光照强度对光合作用强度的影响实验中，可以通过调节 台灯与实验装置间的距离来调节光照强度( √ ) (15)探究实验中，小圆形叶片浮起的原因是叶片进行呼吸作 用产生的二氧化碳导致的(× ) 增大CO₂浓度，有利于 光合作用的进行 不同植物对光照的需求 不同 一定范围内温度升高， 光合作用和细胞呼吸都 会增强 冬季大棚白天温度适当 提高，晚上适当降低 农作物管理要求“正 其行，通其风” 合理灌溉 2. 将下列生产实例和利用的光合作用原理连接起来 水分缺少导致气孔关闭， 二氧化碳供应不足 间作套种 课堂互动探究案 【课程标准】 说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二 氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转化并储存为糖分子中的 化学能 探究不同环境因素对光合作用的影响 提取和分离叶绿体色素 【素养达成】 1. 阅读科学家对光合作用的探究过程，了解人们对光合作 用认识的过程。(科学思维) 2. 结合实例及教材图5—14,掌握光合作用的光反应和暗 反应过程以及二者的关系。(科学思维) 3. 认识生命活动不仅具有物质基础，还需要能量驱动，而 能量的供应和利用都离不开物质的变化，物质是能量的载体，能 量是物质变化的动力，初步建立物质和能量观。( 科学思维) 4. 联系日常生活实际，思考影响光合作用的环境因素以及 光合作用原理的实践应用。(社会责任) 同学们，诗中的“你”是指什么?为什么会给“我”生命的 甘露、无穷的能量? 新叶沐浴着和煦的阳光， 鸟儿在绿叶间尽情欢唱： “是你给了我生命的甘露， 是你给了我无穷的能量!” 互动·探究·智涂wm 探究点一 光合作用的原理及探索 【师问导学】 一、光合作用原理的探索实验分析 1. 实验一：1937年，英国剑桥大学的希尔用离体的叶绿体 做实验。 他将离体的叶绿体加到具有 H 受体的水溶液中，在无 CO₂ 的条件下给予光照，发现叶绿体中有O₂ 放出。 由实验一说明： 答案：叶绿体在有H 受体的水溶液中光照可产生O₂ 缓冲 pH=4 pH=4 pH=4 溶液 pH=4 H=4 pH=8 上述实验结果表明，基粒类囊体合成 ATP 的原因是膜内外 存在H* 梯度(H+ 浓 度 差 )。 据此推测，叶绿体在自然状态下产生 ATP 的过程中，光能 的作用是使水分解产生 H + ,使类囊体膜内外之间产生 H+梯度(H+浓度差) 2 . 实验二：科学家在黑暗时把叶绿体基粒放在pH=4 的溶 液中，让基粒类囊体膜腔的pH 值下降至4,然后将基粒移入pH =8并含有ADP 和 Pi 的缓冲溶液中(如图)。 一段时间后，有ATP 产生。 ADP+Pi 平衡 基粒转移 基粒 3.实验三：如图是利用小球藻进行光合作用实验的示意图， 图中A 物质和B 物质的相对分子质量之比是多少? A B 光照 下的 c⁸o₂f 小球 CO₂ 答案：8:9 藻悬 液 H₂⁸0 H₂O 4 . 实验四：1 954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 和 H 受体时，体系中就会有ATP 和[H]产生。 在黑暗条件下，只要供给了 和[H], 叶绿体就能将CO₂ 转变为糖。 上述实验说明： 答案：叶绿体照光条件下，反应体系中有ADP 、Pi 和H 受 体存在下可产生 ATP 和[H]。在黑暗条件下，有ATP 和[H]时， 叶绿体可将CO₂ 转变为糖 5. 实验五：20世纪40年代，卡尔文及其同事因在光合作 用方面的研究成果，获得了1961年的诺贝尔化学奖。卡尔文将 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。 卡尔文实验 他向密闭容器中通入¹⁴CO₂, 当反应进行到5s 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，上述实验中卡尔文 等是通过控制反应时间来探究 CO₂ 中碳原子转移路径的，采用 了同位素示踪法等技术方法，实验结果说明 CO₂ 中 C 的转移路 径是CO₂ →C₃ →C₅ 、C₆ (请用“→ ”表示)。 卡尔文及其同事们在实验过程中发现，在有光照和 CO₂ 供 应的条件下，C₃ 和 C₅ 的浓度很快达到饱和并保持稳定。 但是，当改变其中一个实验条件后，二者的浓度迅速出现了 规律性的变化：停止 CO₂ 供 应 时 ，C₃ 的浓度急速降低，C₅ 的浓 度急速升高。 停止光照时，C₃ 的浓度急速升高，C₅ 的浓度急速降低。 由此可见C₃ 和 C₅ 之间的关系是_ (请用箭头表示)。 二 、结合光反应过程与暗反应过程回答下列问题 1. 为什么暗反应不能较长时间地在黑暗条件下进行? 答案：因为光反应为暗反应提供的[H]、ATP 是有限的。 2.试利用同位素示踪法，分析光合作用过程中各元素的转 移途径。 (1)用放射性同位素分别标记H₂O 中 的H 和 O, 则能在光合 作用的哪些物质中检测到放射性? (2)若标记CO₂ 中的¹⁴ C, 请写出光合作用中¹⁴C的转化途径。 (3)试总结光合作用各元素的去向。 答 案：(1)O 可在释放的O₂ 中检测到； H 可在产生的糖类中 检测到。 (2)¹⁴CO₂+C₅—→2C₃ (只有 一个 I )o 4 12 .0 (3)光合作用总反应式及各元素去向： 叶绿体 光能 CO₂+H₂ ((H C112 ) 3. 结合光反应和暗反应过程分析，若突然停止光照或停止 CO₂ 供应，叶绿体中C₃ 和 C₅ 相对含量发生怎样的变化? 答案： ①停止光照：C₃ 含量相对增加，C₅ 含量相对减少。 ②停止CO₂ 供应： C₃ 含量相对减少，C₅ 含量相对增加。 【智涂笔记】 (1)鲁宾和卡门实验的对照方式为相互对照(通过标记不同的 物质：H₂¹⁸0 与 C¹8O₂)。 (2)鲁宾、卡门和卡尔文用的实验方法为同位素标记法(同位 素示踪法)。 (3)还原剂[H]是指还原型辅酶IⅡ(NADPH), 由氧化型辅酶 II(NADP+)接受电子和H+形成。 (4)光合产物主要是糖类(蔗糖、淀粉),蛋白质、脂肪和有机 酸也是光合作用的直接产物。 【师说核心】 1. 鲁宾和卡门实验 (1)巧妙之处：两组实验相互对照直观地表现出氧气来自水 中的氧，而不是来自二氧化碳中的氧。 (2)自变量为被标记的C¹⁸O₂ 和 H₂⁸O, 因变量是O₂ 的放射性。 2.卡尔文循环 (1)探究方法——同位素标记法： 用¹4C 标记CO₂, 追踪检测放射性，探明了CO₂ 中的碳在光 合作用中转化成有机物中碳的途径。 (2)结论： 碳的转化途径：¹⁴ CO₂ +C₅→ (¹⁴CH₂O)。 场所 类囊体 薄膜上 叶绿体基质中 暗反应稳定的(CH₂O) 多种酶催化2C₃ 化学能 3. 光合作用过程图解 能量转换 物质转化 活跃的 化学能 色素 H₂O 酶 Pi 光反应 光能 阶段 ADP ATP 光 H 1 2 4.两者的区别 比较 项 目 光反应 暗反应 实质 光能转换为化学能，并放出 O₂ 固定CO₂ ,形成有机物 时间长 短 短促 较缓慢 需要条 件 色素、光照、酶 不需要色素和光，需要多种 酶 反应 场所 叶绿体类囊体的薄膜上 叶绿体的基质中 物质 变化 ①水的光解：水分解生成[H] 和 O₂; ②ATP的合成：在相关酶的作 用下ADP和Pi形成ATP ①CO₂ 的固定：CO₂+ C₅ →2C₃; ②C₃ 的还原：2C₃+ [H]-ATP>(CH₂O)+C₅ 能量 变化 光能→ATP中活跃的化学能 ATP中活跃的化学能→有 机物中稳定的化学能 相应 产物 O₂ 、ATP和[H] 葡萄糖等有机物 5.两者的联系 (1)光反应为暗反应提供[H]和 ATP; 暗反应为光反应提供 ADP 和 Pi, 即两个反应阶段相辅相成，密切联系。 (2)没有光反应，暗反应缺乏[H]和 ATP, 无法进行；暗反应 受阻，光反应因产物积累也不能正常进行。可见，二者相互制约。 量的变化可以采用下图分析： ATP 6.当外界条件改变时，光合作用中 C₃ 、C₅ 、[H]、ATP 含 ADP 光 C 5 CO₂ Pi C (1)改变光照条件 光照强一 → 弱 CO₂ 供应不变 光反应减弱 [H] 、ATP 减少 暗反应 C₃ 还原减弱 CO₂固定正常 C₃含量上升 C₅ 含量下降 (CH₂O)合成量 相对减少 (2)改变CO₂ 浓度 光照不变 减少CO₂供应 暗反应 CO₂ 固定减弱 C₃ 还原仍正常进行 C₃含量下降 C₅ 含量上升 [H]ATP 相对增加 (CH₂O)合成量 相对减少 【检测反馈】 1.(合格必考)鲁宾和卡门用H₂⁸O 和CO₂ 作为原料进行光合 作用实验，下列符合实验结果的是( ) A. 释放的氧气全是O₂ B. 释放的氧气一部分是O₂, 一部分是18O₂ C. 释放的氧气全是¹8O₂ D. 释放的氧气大部分是O₂, 少部分是18O₂ 解 析 ：鲁宾和卡门用H₂ ¹80和CO₂作为原料进行光合作用 实验，其目的是为了探究光合作用释放出的O₂ 的来源，通过放 射性检测，光合作用产生的O₂全部来源于水。 答 案 ：C 2.(合格必考)光合作用包括光反应和暗反应两个阶段，参 与暗反应必需的物质是( ) A.H₂O 、CO₂ 、ADP B.CO₂ 、[H] 、ATP C.H₂O 、CO₂ 、ATP D.[H] 、H₂O 、ADP 解 析：暗反应过程包括二氧化碳的固定和三碳化合物的还 原，在此过程中需要CO₂ 、[H] 和ATP 及多种酶参与反应。 答案： B 3.(合格必考)光合作用的光反应和暗反应依次发生在( ) A. 细胞质、细胞核中 B. 叶绿体的外膜、内膜上 C. 叶绿体的类囊体薄膜上、叶绿体的基质中 D. 叶绿体的基质中、叶绿体的类囊体膜上 解 析：光反应发生在叶绿体类囊体薄膜上，暗反应发生在叶 绿体基质中。 答案：C 4.(合格必考)正常生长的绿藻，照光培养一段时间后，用 黑布迅速将培养瓶罩上，此后绿藻细胞的叶绿体内不可能发生的 现象是( ) A.O₂ 的产生停止 B.CO₂ 的固定加快 C.ATP/ADP 比值下降 D.NADPH/NADP+ 比值下降 解析：用黑布将培养瓶罩上，光反应停止，氧气的产生停止， A 正确；同时NADPH 和 ATP 的产生停止，使暗反应C₃ 的还原 速度减慢，从而导致二氧化碳的固定减慢，B 错 误 ；ADP 生成 ATP 减少，使 ATP/ADP 比值下降，C 正 确 ；NADPH 的产生减 少，NADPH/NADP+比值下降， D 正确。 答案：B 5.(等级选考)玉兰叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用 时，如果将它移至暗室中，短时间内叶绿体中C₃ 与 C₅ 相对含量 的变化分别是( ) A. 增多 减少 B. 减少 增多 C. 增多 增多 D. 减少 减少 解析：叶肉细胞在光照下进行稳定的光合作用时，C₃ 和 C₅ 处于动态平衡状态；移至暗室后，短时间内由于光反应速度下降， ATP 和[H]的合成减少，C₃ 还原成C₅ 的过程受到影响，而 C₅ 仍 能正常和CO₂ 反应生成C₃, 故 C₃ 增 多 ，C₅ 减少。 答案： A 实验组别 光照时间(s) 放射性物质分布 1 20 12种磷酸化糖类 2 除上述12种磷酸化糖类外，还有氨基 酸、有机酸等 60 3 2 大量3-磷酸甘油酸 6.(等级选考)A.Benson 与 M.Calvin 于1949年采用放射性 同位素自显影技术对光合作用进行研究。以下是他们研究过程的 简述：往小球藻培养液中通入¹⁴CO₂后，分别给予小球藻不同的 光照时间后立即杀死小球藻。从培养液中提出产生的放射性物质 进行分析。结果如下： 请根据上述实验资料分析，下列选项错误的是( ) A. 本实验原料只有CO₂, 暗反应的产物是有机物 B.CO₂ 进入叶绿体后，最初形成的主要物质是3-磷酸甘油 酸 C. 实验结果还说明光合作用产生的有机物还包括氨基酸、 有机酸等 D. 从 CO₂ 进入叶绿体到产生有机物的整个过程看，产生的 有机物主要是磷酸化糖类 解析：光合作用所需要的原料除了二氧化碳还有水，A 错误； 从表中可以看出，放射性首先出现在3-磷酸甘油酸中，B 正确； 60 s后，放射性出现在除上述12种磷酸化糖类外，还有氨基酸、 有机酸等，C 正确；从表中可以看出，产生的有机物主要是磷酸 化糖类，D 正确。 答案：A 7.(等级选考)[2019·东城高一期末]ATP 作为细胞中的直接 能源物质为细胞生命活动直接提供能量。为了研究 ATP 合成过 程中的能量转换机制，科学家利用提纯的大豆磷脂、某种细菌膜 蛋白(I) 和牛细胞中的 ATP 合成酶(IⅡ)构建了 ATP 体外合成体 系，如图所示。请回答问题： 光 (1)ATP 在供能时，远离A 的高能磷酸键断裂，将能量释放 出来。 (2)科学家利用人工体系模拟了 ATP 合成时的能量转换过 程。在叶绿体中此过程发生的场所为类囊体膜。 组 别 人工体系 H*通过 I的转运 H+通过 IⅡ的转运 大豆磷脂 构成的囊泡 I II ATP 1 十 十 十 有 有 产生 2 十 十 无 无 不产生 3 十 十 有 无 不产生 注 ： “十”、“—”分别表示人工体系中组分的“有”、 (3)科学家利用人工体系进行了相关实验，如下表。 “无” ①比较第1组和第2组的结果可知， I 可以转运H*进入囊 泡。进一步研究发现，第1组囊泡内pH 比囊泡外低1.8,说明 囊泡内的H+浓度高于(大于)囊泡外。 ②比较第1组和第3组的结果可知， 伴随图中的H+ 通过Ⅱ向囊泡外转运的过程，ADP 和 Pi 合成 ATP。 (4)结合图与实验分析，说明人工体系产生ATP 的能量转换 过程是光能 →H*电化学势能(H+浓度梯度势能) _→ATP 中的 化学能。 解析：分析图形，H+ 进入囊泡通过I 过程，需要光，说明 该囊泡模拟的是叶绿体的类囊体薄膜；H*通过Ⅱ出囊泡，形成 ATP, 说明模拟的是线粒体的内膜。(1)ATP 中远离 A 的高能磷 酸键断裂，释放能量，供给各项耗能的生命活动。(2)叶绿体中 合成 ATP 的场所是类囊体薄膜。 (3)第1组囊泡内pH 比囊泡外 低1.8,说明囊泡内的H+浓度高，大于囊泡外的H+浓度。②比 较第1组和第3组的结果可知，伴随H*通过Ⅱ向囊泡外转运的 过 程 ，ADP 和 Pi 合成ATP 。(4)上述实验数据分析可知人工体系 产生 ATP 的能量转换过程是：光能→H+电化学势能→ATP中的 化学能。 探究点二 光合作用原理的应用 【师问导学】 1. 光照强度对光合作用强度的影响 如图表示光照强度对光合作用强度的影响曲线，分析曲线讨 论并回答： 吸收量 釋 放 光照强度 0 CO, 量 C B (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? (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。 (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? 答案：(1)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。 (2)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。 (3)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。 (1)图中A 、B 、C 各点代表的生物学意义分别是什么? (2)OA 段的含义是什么?其大小主要受哪种环境因素的影 响? 2. 结合细胞呼吸，人们用下面的曲线来表示光照强度和光 合作用强度之间的关系，请分析： (3)DE 段的含义是什么?如果此时想增加光合作用强度，可 以采取哪些措施? (4)若光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25℃和30℃, 这是在25 ℃测得的曲线，若温度升至30 ℃,曲线中A 点 、B 点将如何变化? (5)通过实验测得一片叶子在不同光照强度下气体吸收和释 放的情况如下图所示。那么曲线中AB 段(不包括A、B 两点)中 哪些过程是存在的(用下图字母表示)? 答案： (1)A 点：光照强度为零，只进行细胞呼吸。B 点：光合作用 强度等于呼吸作用强度，为光补偿点。C 点：光合作用达到最大 值时所需要的最小光照强度，即光饱和点。 (2)OA 段代表呼吸作用强度。其大小主要受温度的影响。 (3)DE 段光合作用强度达到饱和，不再随光照强度的增强而 增加。可以通过调整温度和增加 CO₂ 浓度等措施增加光合作用 强度。 (4)A 点下移，B 点右移。 (5)c 、d 、e 、f。 3.其他环境因素对光合作用的影响 (1)温度：温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度，据 此请在坐标系中画出温度和光合作用强度的关系曲线(一般植物 的适宜温度在35 ℃左右)。 10 20 30 40 50温度/℃ 光 合 作 用 强 度 0 在一定范围内，植物光合速率随 CO₂ 浓度的增大而 增加 _ ;但达到一定浓度时，再增加 CO₂ 浓度，光合速 率也不再增加 0 (3)矿质元素：缺少 N 会影响酶的合成，缺少 P 会影响 ATP _的合成；缺少Mg 会影响叶绿素_的合成。 (2)二氧化碳浓度 光照强度 (1)光照强度为a 时，曲线I 和Ⅱ重合说明什么?此时造成曲 线Ⅱ和Ⅲ光合作用强度差异的原因是什么? (2)光照强度为 b 时，造成曲线I 和Ⅱ光合作用强度差异的 原因是什么? (3)光照强度为c 时，每条曲线都呈现水平状态，说明什么? 4. 科学家研究CO₂ 浓度、光照强度和温度对同一植物光合 作用强度的影响，得到实验结果如图，请据图分析： CO₂浓度(0.04%)30℃1 co 浓度(0.04%)20℃ co 浓度(0.01%)20℃ 光合作用强度 答案： (1)光照强度为 a 时，曲线I 和Ⅱ重合说明温度不是限制因 素，光照强度才是限制因素。此时造成曲线Ⅱ和I 光合作用强度 差异的原因是CO₂ 浓度不同。 (2)温度的不同。 (3)此时每条曲线都达到了光饱和点，光合作用不再上升。 【智涂笔记】 本实验中易产生的两个认识误区 (1)本实验中所测的数值并不代表光合作用的真实值，而是 光合作用的净产值，即光合作用强度减去呼吸作用强度。 (2)叶片浮起之前并不是不进行光合作用，而是光合速率小 于呼吸速率或者是产生的氧气量较少。 [归纳拓展]关于环境因素影响光合速率的两点提醒 (1)温度改变对光合作用的影响：当温度改变时，不管是光 反应还是暗反应都会受影响，但主要是影响暗反应，因为参与暗 反应的酶的种类和数量都比参与光反应的多。 (2)CO₂ 浓度对光合作用的影响：CO₂ 浓度很低时，光合作用 不能进行，但 CO₂ 浓度过高时，会抑制植物的细胞呼吸，进而 影响光合作用。 【师说核心】 一、探究环境因素对光合作用强度的影响实验 1. 实验原理 叶片含有空气，上浮抽 气叶片下沉光合作 充满细胞间 隙，叶片上浮。 2. 实验中沉水叶片的制备 (1)小圆形叶片的制备：用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出 小圆形叶片。 (2)沉水：用注射器抽出叶片内气体，放入黑暗处盛有清水 的烧杯中，小圆形叶片全部沉到水底。 (3)黑暗目的：防止光合作用的进行。 3.实验装置分析 (1)自变量的设置：光照强度是自变量，通过调整台灯与烧 杯之间的距离来调节光照强度的大小。 (2)中间盛水玻璃柱的作用：吸收灯光的热量，避免光照对 烧杯内水温产生影响，排除温度的影响。 (3)因变量是光合作用强度，可通过观测单位时间内被抽去 空气的小圆形叶片上浮的数量或者是浮起相同数量的叶片所用 的时间长短来衡量光合作用的强弱。 4. 实验结果分析 (1)在黑暗情况下，植物叶片只进行细胞呼吸，吸收氧气， 产生的二氧化碳较易溶于水，所以叶片沉在水底。细胞生理状态 如图： CO₂ CO₂ O₂+ O₂ 线粒体 叶绿体 (2)在弱光下，此时的光合作用小于或等于细胞呼吸，叶片 中仍然没有足够的氧气，叶片仍然沉在水底。细胞生理状态如图： 线粒体 CO₂ CO₂ 线粒体 叶绿体 2 (3)在中、强光下，光合作用大于细胞呼吸，叶片中会有足 够的氧气产生，从而充满了细胞间隙并释放到外界一部分，使叶 片浮起来。细胞生理状态如图： CO₂— O₂ →CO₂ 2 CO₂- .2 线粒体 叶 绿 体 CO₂ O₂ 二 、环境因素对光合速率影响的分析 1. 单因子变量对光合速率的影响 (1)光照强度(如图) 光补偿点 光照强度 光饱和点 CO₂ 吸收 CO₂ 释放 B A C ①曲线分析： 项目 曲线点 、 段 对应的 生理 状态模 型 气体转移 情况 进行的生理过程 吸 收 O₂、 释放CO₂ O₂CO₂ A点 只进行呼吸作用 AB段 呼吸作用、光合作用同时进行且 呼吸作用>光合作用 吸 收 O₂、 释放CO₂ O₂CO₂ 不与外界 进 行气体交 换 呼吸作用、光合作用同时进行且呼吸 作用=光合作用 B点 吸收 CO₂、 释 放 O₂ B点 以 后 呼吸作用、光合作用同时进行且呼吸 作用<光合作用 CO₂ ②应用：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。 图 1 中A 点表示CO₂ 补偿点，即光合速率等于呼吸速率时 的 CO₂ 浓度，图2中 A′点表示进行光合作用所需CO₂ 的最低 浓度。B 和 B′ 点都表示CO₂ 饱和点。 ②应用：在农业生产上可以通过“正其行，通其风”,增施 农家肥等增大CO₂ 浓度，提高光合速率。 0 C A ①曲线分析： B CO₂浓度 图 1 (2)CO₂浓度 B'CO₂ 图2 吸收CO₂ 释放CO₂ 光合速率 0 A' 浓度 (3)温度 ①曲线分析：温度主要通过影响与光合作用有关酶的活性而 影响光合速率。 ②应用：冬季，温室栽培白天可适当提高温度；晚上可适当 降低温度，以降低细胞呼吸消耗有机物。 图中：a. 高 CO₂ 浓度 b. 中 CO₂ 浓度 c. 低CO₂ 浓度 ①高光强 ②中光强 ③低光强 2 . 多因子变量对光合速率的影响 30℃ 20℃ 10℃ 光照强度 光合速率 光照强度 温度 0 P (1)曲线分析： P 点：限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随着 因子的不断加强，光合速率不断提高 Q 点：横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因子，影 响因素主要为各曲线所表示的因子。 (2)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。 三、光合作用与细胞呼吸的相关计算 下面图中，Oa 段表示植物呼吸速率，Od 段表示植物表观光 合速率(即净光合速率),Oa+Od 段表示真正光合速率(即实际光 合速率或总光合速率),它们的关系为：真正光合速率=表观光 合速率十呼吸速率。具体表述为： 1.光合作用消耗的CO₂ 总量=从外界吸收的CO₂ 量十呼吸 作用产生的CO₂ 量。 2. 光合作用产生的 O₂ 量=释放到外界的 O₂ 量十呼吸作用 消耗的O₂ 量。 3.一昼夜有机物的积累量( O₂ 量表示)=白天从外界吸 收的CO₂ 量一晚上呼吸作用释放的 O₂ 总量。 C 表观 光合 速率 b 呼吸速率 真正光合速率 光照强度 吸收 CO₂ 释 放 CO₂ a 【检测反馈】 1.(合格必考)光合作用强度可以用多种指标表示，以下不 适合的是( ) A. 植物体鲜重增加量 B. 植物体干重增加量 C.O₂ 释放量 D.CO₂ 吸收量 解析：植物光合作用消耗 CO₂, 产生有机物和 O₂, 因 此 ， 光合作用强度的指标可以是B、C、D 选项中的指标。植物体鲜 重增加量主要是水分的增加，不能作为光合作用强度的指标。 答案：A 2.(合格必考)下列四个处理中，沉入底部的叶片小块最先 浮起的是( ) 25℃ 0℃ 25℃ 25 ℃ 照光 不照光 照光 不照光 A B C D 煮沸过的 自来水 自来水 自来水 自来水 解析：叶片沉入水底是由于细胞间隙的空气被抽取掉。所以 哪一个叶片最先产生大量的氧气，充入到细胞间隙中，哪一个叶 片就最先浮上来。由于自来水中含有CO₂25℃ 的温度较为适宜， 光照是光合作用必需的条件，所以 C 选项所示的叶片最先浮起 来。 答案：C 3.(合格必考)如图表示某种植物光照强度与光合作用强度 的关系。P 点的生物学含义是( ) 0 CO₂ A. 无光合作用，有呼吸作用 B. 光合作用与呼吸作用达到动态平衡 C. 无呼吸作用，有光合作用 D. 光合作用与呼吸作用都不进行 P CO₂ 释 放 光照强度 吸收 解析：由曲线可看出，在一定的光照强度范围内，植物光合 作用强度随光照强度的增大而增大，光照强度达到一定程度后， 光合作用强度不再增加。图中光照强度达到P 点时，光合速率与 呼吸速率相等。 答案：B 4.(合格必考)下面是一位同学根据实验结果绘制的一组曲 线，你认为不正确的是( ) 光合作用强度 光合作用强度 光 合 作 用 强 度 A D C B 解析：温度会通过影响光合作用中酶的活性来影响光合作 用，高温使酶失活而导致光合作用强度下降，所以 D 选项应该 是一条先升高后下降的曲线。 答案：D 5.(等级选考)已知某植物光合作用和呼吸作用的最适温度 分别为25 ℃和30 ℃,如图表示30℃时光合速率与光照强度的 关系。若温度降到25 ℃(原光照强度和二氧化碳浓度不变),理 论上图中相应点a、b、d 的移动方向分别是( ) CO₂释 放 量 CO₂ 吸收量 A. 下移、右移、上移 B. 下移、左移、下移 C. 上移、左移、上移 D. 上移、右移、上移 解析：图 中a、b、d三点分别表示细胞呼吸强度、光补偿点 和在光饱和点时的光合作用速率。据题意，由于光合作用酶和细 胞呼吸酶的最适温度不同，当温度由30 ℃降到25 ℃时，细胞呼 吸强度降低，a 点上移；光合作用速率增大，d 点上移。b 点表 示光合作用速率=细胞呼吸速率，在25 ℃时细胞呼吸作用速率 降低，在除光照强度外其他条件不变的情况下要使其仍然与细胞 呼吸速率相等，需降低光照强度以使光合作用速率减弱，即 b 点左移。 答案：C 注 ：①L L₂和L₃分别代表光照强度为360、240和120 μmol/(m².s-¹)。 ②W₁ 、W₂ 和 W₃ 分别代表基质含水量为基质最大持水量的 100%、70%和40%。 (1)干重是植物光合作用有机物的积累量，如果用含有¹4C 的 二氧化碳来追踪光合作用的碳原子，这种碳原子的转移途径是 (用汉字或化学符号及箭头表示)。 ¹⁴CO₂ (二氧化碳)→¹⁴C₃(三碳化合物) →糖类 处理 L₁ L₂ L₃ W₁ W₂ W₃ W₁ W₂ W₃ W₁ W₂ W₃ 干重/g 2.91 3.43 2.31 2.58 3.79 2.86 1.93 2.34 2.41 6.(等级选考)[2019·丰台高一期末]研究人员对名贵中药铁 皮石斛的栽培条件进行了相关研究，实验结果如下： (2)该实验研究了光照强度和土壤含水量 对该植物光 合作用的影响。 (3)据表分析，该植物在L₂ 、W₂ _(用表格中的字母填空)条件 下的生长状况最好。 (4)进一步研究发现，在土壤含水量低的情况下植物细胞内 可溶性糖的含量提高，表明植株可以通过积累可溶性糖从而提高 细胞的渗透调节能力(细胞的吸水能力) 这是植株的一种 保护性反应。 (5)为保证该植物的产量，请提出在强光条件下的栽培建议： 将土壤含水量控制在70%左右(W₂) 。 解析：(1)¹⁴C 标记的CO₂ 是光合作用暗反应的原料。在光合 作用的暗反应阶段，¹⁴CO₂和 C₅ 结合形成¹⁴C₃ C₃ 在 ATP提供能 量的前提下被[H]还原为C₅ 和糖类(CH₂O), 其中¹4C₃ 转移到糖类 中，即¹⁴C的转移途径为¹⁴CO₂(二氧化碳)→¹4C₃(三碳化合物)→ 糖类。(2)表中的 L 、L₂ 和 L₃ 分别代表不同的光照强度，W₁、 W₂ 和 W₃ 分别代表不同基质含水量，由此并结合题意可知：该实 验研究了光照强度和土壤含水量对该植物光合作用的影响。(3) 表中信息显示：在光照强度为L₂ 、土壤基质含水量为W₂ 时，该 植物的干重最大，此时该植物的生长状况最好。 (4)在土壤含水量低的情况下，植物细胞内可溶性糖的含量 提高后会使渗透压升高，从而提高细胞的渗透调节能力(细胞的 吸水能力)。(5)分析表中信息可知，在光照强度一定、基质含水 量为70%左右(W₂)时，该植物的干重最大。可见，为保证该植物 的产量，在强光条件下应将栽培植物所处的土壤含水量控制在 70%左右(W₂)。 7.(等级选考)如图是水生植物黑藻在光照等环境因素影响 下光合速率变化的示意图，下列有关叙述正确的是( ) 光合速率 黑暗 充入CO₂ 充足恒定 光照 (弱光) 0 t₁ t₂ t₃ t₄ 时间 (注：箭头所指为处理开始时间) A.t₁ →t₂, 叶绿体类囊体膜上的色素吸收光能增加，基质中 水光解加快、O₂ 释放增多 B.t₂ →t₃, 暗反应限制光合作用，若在t₂时刻增加光照，光 合速率将再提高 C.t₃ →t₄, 光照强度不变，光合速率的提高是由于光反应速 率不变、暗反应速率增强 D.t₄ 后短暂时间内，叶绿体中ADP 和 Pi含量升高，C₃ 还 原后的直接产物含量降低 不再提高，B 项错误；充足光照条件下，在t₃ 时刻补充CO₂, 光 照强度不变，暗反应增强消耗光反应产物[H]和 ATP增加， 一定 程度增强了光反应速率，C 项错误；将充足光照下的植物置于暗 处，短时间内叶绿体中ADP 和 Pi含量升高，C₃ 还原后的直接产 物含量降低，D 项正确。 答案：D 叶绿体基质中，A 项错误；图示 素是 CO₂ 浓度而不是光照强度， t₃ , 限制光合作用的主要因 t₂ 时刻增加光照，光合速率 解析：光合作用中水的光解发生在叶绿体类囊体膜上而不是 仕 二氧化碳 主要影响⑦ 温度 影响⑧ 水分、矿质元素等 光反应：包括 暗反应：包括 反应式： 5 希尔反应 阿尔农 卡尔文 鲁宾和卡门 E WM 【网络建构】 光照 主要影响⑥ 又应 光合作用的 影响因素 光探 盒穷 程 光的 合过 作程 用 光禽用 在生产中的应用 反应 n 【主干落实】 1. 光合作用的实质是合成有机物，储存能量；而呼吸作用 的实质是分解有机物，释放能量。 2. 光合作用的反应式：CO₂+H₂O 叶绿体(CH₂O)十O₂。 3.光反应的场所是类囊体薄膜，产物是O₂ 、[H] 和 ATP。 4. 暗反应的场所是叶绿体基质，产物是糖类等有机物质。 5.光合作用中的物质转变： (1)¹⁴CO₂—→ ¹4C₃—→(⁴CH₂O); (2)H₂⁸o—→ 18O₂。 光能 $$