5.4光合作用与能量转化——光合作用的原理和应用课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

第4节 光合作用与能量转化 第5章 细胞的能量供应和利用 二 光合作用的原理和应用 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？ ◎本节聚焦 光合作用原理在生产中有哪些应用？ 一、光合作用的原理 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为储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。 1.光合作用的概念： 2.光合作用的化学反应式： CO2 + H2O 叶绿体 光能 （CH2O）+ O2 表示糖类，一部分是淀粉，一部分是蔗糖 3.光合作用的实质： 物质： 能量： 无机物→有机物 光能→有机物中的化学能 记 自然界总到处都是二氧化碳、水和阳光，然而，能够利用它们合成有机物的却只有进行光合作用的细胞。完成这一神奇过程的就是叶绿体。 叶绿体是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？ 探索光合作用原理的部分实验 1.19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中： CO2 + H2O （CH2O） 甲醛 缩合 1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化为糖。 2.1937年，英国植物学家希尔发现： H2O 离体叶绿体 光能 O2 水光解产生氧气的化学反应称为希尔反应 ✘ 希尔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都来自水？ 3.1941年，美国科学家鲁宾和卡门： 同位素示踪法 结论：光合作用释放的O2中的氧元素全部来自水 光照射下的 小球藻悬液 CO2 H2O C18O2 H218O 18O2 O2 甲组 乙组 4.1954-1957年，美国科学家阿尔农发现： 在光照下，叶绿体可合成ATP，且此过程总是与水的光解相伴随。 5.20世纪40年代，卡尔文： 光照射下的 小球藻悬液 14CO2 H2O O2 （14CH2O） 同位素示踪法 CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中的碳的途径称为卡尔文循环。 CO2 + H2O 叶绿体 光能 （CH2O）+ O2 上述实验表明： 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。 记 根据是否需要光能，光合作用可以划分成两个阶段： 光反应阶段 光合作用的第一阶段，必须有光才能进行 光合作用的第二阶段，有没有光都可以进行 暗反应阶段 （碳反应/卡尔文循环） 4.光合作用的过程 光反应阶段 场所： 叶绿体类囊体薄膜上 ADP+ Pi ATP 光、酶 色素 条件： 光、色素、酶 场所： 物质变化： ①水的光解： ③ATP的合成： 叶绿体类囊体薄膜上 能量转化： ATP、NADPH中活跃的化学能 光能 2H2O O2 + 4H++4e- 光 色素 光反应阶段 ②还原剂的形成： 出叶绿体，供细胞呼吸利用或释放到环境中 为还原型辅酶II，是一种还原剂，参与于暗反应；还储存着一定的能量，可为暗反应供能。 为暗反应供能 NADP++H++2e- NADPH 酶 记 暗反应阶段 场所： 叶绿体的基质中 卡尔文循环 条件： 场所： ①CO2的固定： 能量转化： 暗反应阶段 ②C3的还原： 有光无光都可、需多种酶 叶绿体基质中 CO2 + C5 2C3 酶 2C3 （CH2O）+ C5 ATP、NADPH 酶 物质变化： 有机物中稳定的化学能 ATP、NADPH中活跃的化学能 ADP + Pi 和 NADP+ 用于光反应 来源于呼吸作用，呼吸作用供给不足时，由外界环境提供 指三碳化合物 （3-磷酸-甘油酸） 指五碳化合物（核酮糖-1,5-二磷酸）RuBP 记 光反应阶段 场所： 叶绿体类囊体薄膜上 暗反应阶段 场所： 叶绿体基质中 光合作用的过程 比较项目 光反应 暗反应 区 别 条件 场所 物质变化 能量转化 联系 光、色素、酶 有光无光都可、需多种酶 叶绿体类囊体薄膜上 叶绿体基质中 光能→ATP、NADPH 中活跃的化学能 ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能 水的光解、还原剂的形成、ATP的合成 CO2的固定、C3的还原 光反应为暗反应提供NADPH和ATP。 暗反应为光反应提供NADP+、ADP和Pi。 光反应与暗反应的区别与联系 二、光合作用原理的应用 1.光合作用强度（光合速率） 指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。 （1）概念： （2）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吸收CO2的量 ③单位时间内光合作用产生O2的量 记 （3）影响因素： 根据光合作用的化学反应式可以知道，只要影响到原料、能量的供应，都可能是影响光合作用强度的因素。 例如： 环境中CO2浓度、叶片气孔开闭情况（影响CO2的供应量） 光照强度（影响能量供应） 温度（影响酶的活性） 病虫害、无机营养（影响叶绿体的形成和结构） 等等 光合作用强度直接关系农作物的产量，研究影响光合作用强度的环境因素很有现实意义。 2.实验探究 探究光照强度对光合作用强度的影响 （1）实验原理 下沉 上浮 叶片含有空气，上浮 抽气 叶片 ； 产生O2充满细胞间隙，叶片 。 光合作用 光合作用产生的氧气量可作为光合作用强度的指标，氧气量会改变叶片的密度。 记 （2）实验步骤 ①取生长旺盛的绿叶，用直径为0.6cm 的打孔器打出圆形小叶片30片。 0.6cm ②将圆形小叶片置于注射器内。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拉动活塞，使圆形小叶片内的气体逸出。该步骤重复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20mL富含CO2的清水。（可事先通过吹气的方法补充CO2，也可以用质量分数为1%-2%的NaHCO3溶液提供CO2 ）然后各放入10片形叶片。 ⑤然后分别置于强、中、弱三种光照下。实验中，可用5W的LED灯作为光源，利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度。 强光 中等光 弱光 ⑥观察并记录同一时间段内各装置中叶片浮起的数量。 （3）实验结果 小圆形叶片 加富含CO2的清水 光照强度 叶片浮起数量 甲 10片 20 mL 强 乙 10片 20 mL 中 丙 10片 20 mL 弱 多 中 少 光照强度影响光合作用强度。在一定范围内，随光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。 （4）实验结论 记 思考：植物在进行光合作用的同时，还会进行呼吸作用。我们观测到的光合作用指标，如O2的产生量，是植物光合作用实际产生的总O2量吗？ 不是。植物光合作用 实际产生的总O2量=O2的产生量+呼吸作用消耗的O2量 记 （1）少数种类的细菌，细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但是却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。 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 CO2+H2O （CH2O）+ O2 能量 化能合成作用和光合作用的 相同， 不同。 物质转化 能量来源 3.生物制造有机物的另一种方式 化能合成作用 记 （2）代谢类型和呼吸类型 代谢类型 （同化作用） 自养型 异养型： 光能自养型： 化能自养型： 人、动物、真菌及大多数细菌 硝化细菌等 绿色植物、蓝细菌等 呼吸类型 （异化作用） 需氧型： 兼性厌氧型： 厌氧型： 人、动物、植物等 破伤风杆菌、产甲烷杆菌等 酵母菌等 记 三、影响光合作用的因素 1.影响光合作用的内部因素： 叶绿体的数量、色素的含量、酶的数量及活性等。 2.影响光合作用的外部因素及应用： 影响光合作用的外部因素主要有光照强度、CO2浓度、温度、水和矿质元素。 记 （1）光照强度 ①关键点： A点时，光照强度为0，此时只进行细胞呼吸； B点时，细胞呼吸释放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等，此时的光照强度称为光补偿点； C点时，随光照强度增加，光合作用强度不再增加，此时的光照强度称为光饱和点。 光饱和点 光补偿点 ②关键线段： AB段光合作用小于细胞呼吸强度；BC段光合作用强度大于细胞呼吸强度。 ③应用：间作套种植物，可合理利用光能，提高光能利用率。延长光合作用时间，能增加农作物产量。 记 拓展：净光合速率、总光合速率及呼吸速率间的关系 （1）表示方法： 项目 表示方法 净光合速率（表观光合速率） 总光合速率（真正或实际光合速率） 呼吸速率（遮光条件下测得） CO2吸收量、O2释放量、有机物积累量 CO2释放量、O2吸收量、有机物消耗量 CO2固定量、O2生成量、有机物制造量 （2）关系： 净光合速率=总光合速率-呼吸速率 ①当净光合速率＞0时，植物才能积累有机物生长 ②当净光合速率=0时，植物不生长 ③当净光合速率＜0时，植物不生长，长时间处于此状态，植物将会死亡 记 B （2）CO2浓度 图2 图1 ①曲线分析： 图1和图2都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增加而增大，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用速率不再增加，此时的限制因素主要有温度和光照强度。 表示净光合速率 表示总光合速率 记 B 图2 图1 ②关键点分析： 图1中A点既不吸收也不释放CO2，表示光合速率等于呼吸速率时的CO2的浓度，即CO2补偿点。 图2中的A’点表示进行光合作用的最低CO2浓度，即光合作用的起点。 图1和图2中的B点和B’点对应的CO2浓度都是CO2饱和点。 CO2补偿点 光合起点 记 CO2饱和点 CO2饱和点 ③应用： 温室栽培植物时，适当增加CO2浓度或施用有机肥，并且多通风，以增强光合作用强度，提高产量。 记 （3）温度 ①原理：温度主要通过影响光合作用相关酶的活性来影响光合作用强度。 ②曲线分析：图中B点对应的温度是最适温度，此时光合作用最强，高于或低于此温度，光合作用强度都会下降。 ③应用：温室栽培时，白天可适当提高温度，增加光合作用强度。晚上可适当降低温度以降低细胞呼吸，降低有机物的消耗，从而增加作物产量。 同一植物光合作用的最适温度低于其呼吸作用最适温度 记 （4）水 ①原理：水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质。另外，水还能影响气孔的开闭，从而间接影响CO2进入植物体，所以水对光合作用有较大的影响。 ②应用：生产上为保证植物光合作用的正常进行，常采用预防干旱（如雨后中耕松土，其目的之一就是减少土壤中水的散失；地膜覆盖，一方面是为了保温，另一方面是为了保水）和及时灌溉等措施。 合理灌溉点 记 （5）矿质元素 ①原理：绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素。 N：是蛋白质、叶绿体的组成元素。 P：是细胞膜及ATP的组成元素。 Mg：是叶绿素的组成元素。 ②应用：根据作物的需肥规律，适时、适量地增施肥料，可提高农作物产量 记 课堂小结 作业 完成课时评价作业（二十、二十一） 课后练习(P101) $$