5.4 光合作用与能量转化 课件 2024—2025学年高一上学期生物人教版必修1

大海航行靠舵手 万物生长靠 能量之源 第四节 光合作用与能量转化 （教材P97） 光合作用 ↓ 植物生长 (光照强度、光照时间、光质) 叶片中的色素与可能光合作用(捕获光能)有关 1. 色素提取和分离的原理分别是什么？ 2. 为何选用新鲜的绿叶，否则会导致什么结果? 3. 研磨过程中加入无水乙醇、SiO2、CaCO3的作用是什么？ 4. 将滤液收集到试管中后，为什么要用棉塞将试管口塞严？ 5. 滤纸条一端为什么要剪去两角？ 6. 画滤液细线时应注意什么？铅笔条细线的目的?滤液细线重复画两次的目的是什么？ 7. 为什么不能让滤液细线触及层析液？ 自主学习：阅读课本P97-98，完成《学法》93页并思考以下几个问题 一、捕获光能的色素和结构 一、捕获光能的色素 步骤：提取色素→制滤纸条→画滤液细线→分离色素 铅笔线 1cm 称5g 剪碎 少许SiO2 3mL 无水乙醇 单层尼龙布 滤液 细线 1. 提取色素 2. 制滤纸条 3. 画滤液细线 层析液 研磨 过滤 去掉叶柄 和粗叶脉 细,直,齐 层析液不能漫过滤液细线 少许CaCO3 毛细管 提取液 实验 绿叶中色素的提取和分离 (P98－99) 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 一、捕获光能的色素和结构 7 一、捕获光能的色素和结构 甲、乙、丙、丁四位同学,以新鲜绿色菠菜叶为实验材料,用层析法进行绿叶中色素的提取和分离实验时,由于操作不同,而得到了以下四种不同的层析结果。下列分析错误的是 (　　) A.甲可能误用蒸馏水作提取液和层析液 B.乙可能是因为研磨时加入无水乙醇过多 C.丙可能是正确操作得到的理想结果 D.丁可能是因为研磨时未加入CaCO3 C 实验 绿叶中色素的提取和分离 (P98－99) A.收集到的滤液绿色过浅的原因分析 B.滤纸条色素带重叠： C.滤纸条看不到色素带 D.滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带： 未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。 使用放置数天的菠菜叶称取的绿叶过少，滤液色素(叶绿素)太少 一次加入大量的无水乙醇提取浓度太低 未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。 没经干燥处理，滤液线不能达到细、齐的要求，使色素扩散不一致造成的。 忘记画滤液细线。 滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。 ①忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏 ②所用叶片为“黄叶” 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 一、捕获光能的色素和结构 11 植物工厂为什么不用发绿光的光源？ 绿叶中多种色素有何意义？ 一、捕获光能的色素和结构 不同的色素有不同的吸收光谱，这有利于绿色植物充分的吸收光能 一、捕获光能的色素和结构 思考 : 海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象是如何造成的？ 光的波长越长，所含能量越少，穿透能力越弱 红光的穿透能力最弱，蓝紫光穿透能力最强 浅层水体的藻类主要吸收红光和蓝紫光，吸收绿光很少 深层水体的藻类主要吸收蓝紫光，吸收的红光很少 绿叶中色素集中在一个个叶绿体中。 一、捕获光能的色素和结构 阅读100页第二三四段关于叶绿体的结构的内容，回答下列问题： 说出此模型中各结构名称 说出光合色素的分布部位 说说众多基粒、类囊体的存在有何意义？ 为光合色素提供了分布场所，极大地扩展了受光面积 为光合作用所需要的酶提供了更多的附着位点 一、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 一、捕获光能的色素和结构 17 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 一、捕获光能的色素和结构 18 概念 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。 光合作用的原料、产物、场所、条件是什么？ 原料 产物 场所 条件 酶 CO2 + H2O （CH2O)+ O2 叶绿体 光能 叶绿体如何将光能转化为化学能？ 糖类等有机物是如何形成的呢？ 光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳？ 二、光合作用的原理和应用 19 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 二、光合作用的原理和应用 20 1937年 希尔反应 探索光合作用原理的部分实验 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。 将照了光的叶绿体移到暗处并供给CO2，则可观测到糖类合成。 思考: 叶绿体内参与光合作用的氧化剂是什么？ 不能，反应体系中可以还存在其他氧元素供体。 思考: 为使离体的叶绿体保持活性，对悬浮液的要求是？ 思考: 光合作用中O2的释放和CO2的利用，是可以暂时分离的吗？都需要光照吗？ 等渗溶液 思考: 除了氧气，还产生了什么？ 离体叶绿体 铁盐(或其他氧化剂) H2O 2H+ + O2 光照 思考：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？ NADP+ 二、光合作用的原理和应用 21 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 二、光合作用的原理和应用 22 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。 试一试: 找出光反应过程中加入的反应物和产物之间的对应关系，尝试写出简单的反应式，尝试构建光反应过程 二、光合作用的原理和应用 23 叶绿体中 的光合色素 光能 H2O 水在光下分解 O2 H+ ADP+Pi 酶 ATP 光、酶、色素 类囊体的薄膜上 H2O 光 酶 NADPH + O2 物质变化 ADP+Pi + 能量 酶 ATP 能量转换 光能 ATP、NADPH中活跃化学能 条件： 场所： 过程： NADP+ NADPH 2e-→ 水的光解： ATP的合成： 光合作用的过程——光反应 酶 产物： O2、NADPH、ATP 二、光合作用的原理和应用 阿尔农实验 材料：离体叶绿体 处理：供给ATP、NADPH和CO2，黑暗条件 结果：离体叶绿体中有糖类生成 结论： 黑暗条件下，CO2合成糖类需要ATP和NADPH。 探索光合作用原理的部分实验 阿尔农实验 二、光合作用的原理和应用 看一下阿尔农的第二个实验。实验材料还是用离体叶绿体★；实验处理是★给离体叶绿体加入ATP、NADPH和CO2，在黑暗条件下竟然发现★离体叶绿体中有糖类的生成。如果没有加ATP和NADPH则没有糖类的生成。这就说明★在黑暗条件下，CO2合成糖类需要ATP和NADPH。★由此可以看出光合作用包括光照下才能进行的光反应外，还包括一系列在黑暗中就能进行的反应，称为暗反应。后者是在ATP、NADPH参与下，CO2合成糖类的过程。 CO2合成糖类发生的物质变化也非常复杂，是由科学家卡尔文及其同事花费了8年时间才弄清楚的。我们先看一下卡尔文的实验 25 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 试一试:建立CO2、C3、C5和（CH2O）的转化关系。 二、光合作用的原理和应用 26 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 二、光合作用的原理和应用 27 CO2 C5 固 定 2C3 (CH2O) 糖类 场所： 条件： 叶绿体基质 多种酶 多种酶 参加催化 还 原 过程： CO2+ C5 酶 2C3 酶 (CH2O)+C5 NADPH、 ATP ATP、NADPH中活跃的化学能 糖类中稳定的化学能 酶 ATP 供能 ADP+Pi 卡尔文循环 物质变化(主要）： 能量转换 酶 NADPH 供能 供氢 NADP+ CO2的固定 C3的还原 光合作用的过程——暗反应 二、光合作用的原理和应用 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 二、光合作用的原理和应用 29 练习：完成教材106页第3题 例1、 光合作用过程中，消耗ATP和产生ATP的部位在叶绿体中依次为 ( ) ①外膜 ②内膜 ③基质 ④类囊体膜 A．③② B．③④ C．①② D．④③ B 例2、科学家用14C标记二氧化碳，发现碳原子在一般植物体内光合作用中的转移途径是（ ） A．二氧化碳→叶绿素→葡萄糖 B．二氧化碳→ATP→葡萄糖 C．二氧化碳→五碳化合物→葡萄糖 D．二氧化碳→三碳化合物→葡萄糖 D 光合作用的过程——元素去向 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 二、光合作用的原理和应用 32 外界条件突然改变，NADPH、C5、ATP等物质的变化分析 条件 短时间内C3 短时间内C5 短时间内NADPH和ATP含量 (CH2O)合成速率 光照强度由强到弱，CO2供应充足且不变 光照强度由弱到强，CO2供应充足且不变 CO2量由充足到不足，光照充足且不变 CO2量由不足到充足，光照充足且不变 增加 减少 减少 降低 减少 增加 增加 升高 减少 增加 积累 降低 增加 减少 减少 升高 环境骤变时光合作用中各物质含量的变化分析 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 二、光合作用的原理和应用 34 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 二、光合作用的原理和应用 35 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 二、光合作用的原理和应用 36 CO2+H2O （CH2O）+O2 光能 叶绿体 (色素、酶） ①Mg、N等矿质元素； ②酶的活性受温度等影响。 光照强度、光质、光照时间； 气体反应物 ①作为反应物； ②水分→气孔关闭→CO2供应 影响光合作用强度的主要环境因素 根据反应式说一说有哪些因素会影响光合作用强度 光合作用原理的应用 还有内因 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： 38 ①打出叶圆片（避开大叶脉） 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 实验步骤： ②排出叶圆片中的空气，置暗处清水中 ③准备3只小烧杯，装有富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液） ⑤记录叶圆片浮起所用的时间 ④向小烧杯内加入叶圆片，控制光强 浓度过高，会导致叶肉细胞失水过多，影响细胞代谢，光合速率下降 光源会产生热量，导致温度不同为了保证单一变量，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。 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 42 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 43 1、以测定的密闭容器中的CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响，结果如图所示。下列分析正确的是 （ ） A.光照相同时间，35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等 B.光照相同时间，在20℃条件下植物积累的有机物的量最多 C.温度高于25℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少 D.两曲线的交点表示光合作用制造的与呼吸作用消耗的有机物的量相等 A 净光合速率 呼吸速率 多施有机肥； 大田中要注意通风透气 暗反应 C5、光反应 CO2浓度 光合作用强度 O 指导实践： 影响光合作用强度的因素——CO2浓度 光合作用原理的应用 适时播种； 温室栽培时白天适当提高温度，夜间适当降低温度。 酶的活性 指导实践： 影响光合作用强度的因素——温度 光合作用原理的应用 酶的活性 N：酶、NADPH、ATP、叶绿素等的必需元素 P：NADPH、ATP等的必需元素 Mg：叶绿素的必需元素 根据植物的需肥规律，适时、适量地增施肥料； 指导实践： 影响光合作用强度的因素——矿质元素 光合作用原理的应用 水是光合作用的原料； 水会影响气孔关闭，从而影响CO2进入植物体，间接影响光合作用。 合理灌溉 指导实践： 影响光合作用强度的因素——水 光合作用原理的应用 （1）光照强度逐渐增大； （2）此时温度很高，导致气孔大量关闭，CO2无法进入叶片组织，致使光合作用暗反应受到限制。 （3）光照强度不断减弱 （4）光照强度、温度 实例分析：下图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线并回答问题（教材106页第1题） 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 50 光合作用原理的应用 总结：结合光合作用与呼吸作用的原理，提出提高 农作物产量的措施 延长光照时间 增加光照面积 增加光照强度 提高CO2浓度 白天适当升温，夜晚适当降温 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。 52 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 53 光照强度 CO2消耗量 O 光合作用强度用什么表示？ CO2+H2O （CH2O）+O2 光能 叶绿体 单位时间内叶绿体消耗CO2的量 单位时间内叶绿体制造O2的量 单位时间内叶绿体制造糖类的量 怎么测量？ 能直接测量的是？ 单位时间内细胞（植株）吸收CO2的量 单位时间内细胞（植株）释放CO2的量 单位时间内细胞（植株）积累糖类的量 总光合作用（真光合作用)速率： 净光合作用（表观合作用)速率： 细胞呼吸（有氧呼吸）速率 - = 光照强度 CO2消耗量 O 光照强度 CO2吸收量 O 怎么画？ 只进行细胞呼吸 C点之前受限因素：光照强度， C点之后受限因素：温度、CO2浓度等 A点：___________________________ B点：___________________________ C点：___________________________ D点：___________________________ AB段：____________________ BC段：____________________ 有氧呼吸 光合作用速率=有氧呼吸速率 光合作用速率达到最大值 光合作用速率达到最大值时对应的最小光照强度 光补偿点 光饱和点 光<呼 光>呼 细胞（植株）表现为_____CO2，____O2，_____有机物 释放 吸收 消耗 细胞（植株）表现为_____CO2，____O2，_____有机物 吸收 释放 积累 F E G EF段：________________________________________________ FG段：________________________________________________ EG段：________________________________________________ 细胞（植株)单位时间内吸收CO2的量 细胞（植株)单位时间有氧呼吸产生CO2的量 叶绿体单位时间内消耗CO2的量 净光合速率 有氧呼吸速率 真光合速率 CO2补偿点 CO2饱和点 练习：将某绿色植物放在特定的实验装置中，研究温度对光合作用与呼吸作用的影响（其他实验条件都是理想的），实验以CO2的吸收量与释放量为指标。实验结果如下表所示： 温度（℃） 5 10 15 20 25 30 35 光照下吸收CO2(mg/h) 1.00 1.75 2.50 3.25 3.75 3.50 3.00 黑暗中释放CO2(mg/h) 0.50 0.75 1.00 1.50 2.25 3.00 3.50 下列对该表数据分析正确的是 ( ) A.昼夜不停地光照，在35℃时该植物不能生长 B.昼夜不停地光照，在15℃时该植物生长得最快 C.每天交替进行12小时光照、12小时黑暗，在20℃时该植物积累的有机物最多 D.每天交替进行12小时光照、12小时黑暗，在30℃时该植物积累的有机物是 10℃时的2倍 净光合 有氧呼吸 1.AD段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是____________________； 2.DH段玻璃罩内CO2浓度下降的原因是____________________； 3.HI段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是_____________________； 4.光合速率等于呼吸速率的点是_________； 5.经过一昼夜的时间，该植物是否生长？____。判断的依据是 ___________________________________________________ _________________。 思考 光合速率＜有氧呼吸速率 光合速率＜有氧呼吸速率 光合速率＞有氧呼吸速率 D、H 是 I和A点相比，玻璃罩内CO2浓度减少，减少的CO2转化成有机物积累在植物体内。 巩固练习：如图是密闭玻璃罩内的植物一天中光合速率的变化曲线图。 3.植物光合作用和细胞呼吸的日变化曲线分析: (1)自然环境中一昼夜植物CO2吸收或释放速率的变化曲线: 只要有02产生，就有光合作用 只呼 呼>光 呼=光 呼<光 净光合 呼吸 光合作用的最适温度： 30℃ 呼吸作用的最适温度： 40℃ 光合作用酶失活的温度： 50℃ 呼吸作用酶失活的温度： 60℃ -净光合 = 呼吸 Lavf57.62.100 Lavf59.23.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$