5.4光合作用与能量转化第2课时课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

第四节 光合作用与能量转化 第二课时光合作用的原理和应用 光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把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。 原料：二氧化碳 水 产物：有机物（主要是糖类） 氧气 场所：叶绿体 条件：光 （1）光合作用的原料、产物、场所、条件是什么？ （3）如果用（CH2O）表示糖类等有机物，你能用一个化学反应式表示出来吗? 光能 叶绿体 CO2 + H2 O （CH2O)+ O2 一、光合作用的概念 （2）光合作用的实质是什么? 合成有机物并储存能量的细胞代谢。 光合作用物质转变同时伴随着能量转化 2 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。 二、光合作用的原理探索 “甲醛说”:19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。 缩合 光 我们已经知道了光合作用的概念、原料、产物及其总反应式，那么，叶绿体是如何将光能转化为化学能？如何将化学能储存在糖类等有机物中？光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳？ 3 实验一：希尔反应1937年 1923年，德国化学家桑伯格从氧化还原的角度认识光合作用，提出光合作用可被认为是水和二氧化碳之间的氢转移。受到桑伯格的启发，1937年，英国植物学家希尔在离体的叶绿体悬浮液中加入Fe3+盐或其他氧化剂，结果在光照下可以释放出氧气。像这样，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。 后来发现，生物中重要的氢载体氧化型辅酶Ⅱ（NADP+）也可以作为生理性的希尔氧化剂，从而使得希尔反应的生理意义得到了进一步肯定。 讨论1：希尔反应是否支持光合作用的氧化还原学说？请尝试写出光合作用中希尔反应的反应式。 2H2O + 2NADP+ 2NADPH + 2H+ + O2 光照 叶绿体 二、光合作用的原理探索 4 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，也没有直接观察到氧元素的转移。 讨论2、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？ 讨论3、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H2O，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。 实验一：希尔反应1937年 同学们先来猜一猜，光合作用产生的氧气是来自水还是来自二氧化碳？ 5 实验二：鲁宾和卡门实验1941年 同位素标记（示踪）法，同位素可以追踪物质的运行和变化规律，弄清化学反应的详细过程。 讨论1：该实验采用了什么实验方法？此方法有什么好处？ 讨论2：分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？ 光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于H2O ，而并不来源于CO2。 讨论3：该实验采取了什么对照方法？ 相互对照。 20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用放射性同位素14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，追踪14C的去向。他向反应体系中充入一定量的14CO2，然后在不同时间杀死他们，再检测全部带14C标记的化合物。当光照时间逐渐缩短到几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物中，在5秒的光照后，他同时检测到了含有放射性的五碳化合物和葡萄糖。 实验三：卡尔文实验20世纪40年代 尝试用示意图表示光合作用中CO2的C的去向？ 7 实验四：阿尔农实验1954年 1954年，美国科学家阿尔农(D. Arnon)发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他又发现这一过程总是与水的光解相伴随。 尝试用示意图表示ATP的合成与希尔反应的关系？ 2H2O + 2NADP+ 2NADPH + 2H++ O2+能量 光照 叶绿体 ADP + Pi + ATP 酶 H2O NADP+ NADPH O2 ADP + Pi ATP 8 上述实验表明，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。实际上，光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应。人们根据是否需要光能，将这些化学反应概括地分成光反应和暗反应两个阶段。　 二、光合作用的过程 1、光反应 条件： 光、色素、多种酶等 场所： 类囊体薄膜 物质转化 水的光解： ATP的合成： 能量转化: ADP + Pi + 能量 ATP 酶 2NADP+ + 2H+ + 4e- 2NADPH 酶 光能转变为活跃的化学能储存在ATP和NADPH中。 2H2O O2 + 4H+ + 4e- 光 色素 二、光合作用的过程 10 类囊体薄膜 的色素分子 可见光 ADP+Pi ATP 2H2O O2 2NADP+ 酶 吸收 光解 4H++4e- 2NADPH 酶 1、光反应 过程： 三、光合作用的过程 11 2、暗反应 条件： 多种酶、ATP、NADPH等 场所： 叶绿体基质 物质转化 CO2的固定： C3的还原： 能量转化: 三、光合作用的过程 CO2 ＋ C5 2C3 酶 2C3 (CH2O) + C5 酶 ATP、NADPH ATP、NADPH中活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能 12 卡尔文循环 C5 2C3 2、暗反应 过程： NADP+ NADPH 酶 ADP+Pi ATP 酶 (CH2O) 糖类 还原 CO2 固定 三、光合作用的过程 13 光合作用全过程 氧全部来自水 氧全部来自CO2 三、光合作用的过程 14 能量转化：光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能 光反应和暗反应是光合作用的两个阶段，这两者之间既有明显区别，也有密切的联系。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：光反应为暗反应提供ATP和NADPH，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+。 三、光合作用的过程 15 3、光反应与暗反应的比较 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 16 4、条件骤变对光合作用中各物质的影响 CO2浓度不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O） 模型 光照减弱 光照增强 光照不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O） CO2浓度减少 CO2浓度增加 升高 降低 降低 降低 升高 升高 升高 降低 降低 降低 升高 升高 升高 升高 降低 降低 卡尔文在研究光合作用过程中发现：在光照下C3、C5的浓度相对稳定。但当在光照下突然中断CO2的供应，C5的浓度快速升高，C3的浓度快速降低。当突然停止光照时，C3的浓度快速升高，同时C5的浓度快速降低。你能分析其中的原因吗？ 17 例.将单细胞绿藻置于适宜的温度、光照以及充足的CO2条件下培养，经一段时间后，突然停止光照，则下列叙述中不会发生的是(　 　) A．光反应停止，不能形成NADPH和ATP B．短时间内暗反应仍进行，CO2与C5继续结合形成C3 C．短时间内绿藻体内C3的含量会上升 D．由于没有NADPH和ATP供应，C3不能形成糖类等物质，积累了许多C5 D 18 四、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 2HNO3+能量 硝化细菌 6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2 讨论：进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？ 讨论：化能合成作用与光合作用有什么异同点？ 19 五、影响光合作用的因素及应用 内因（植物自身因素） ： 叶龄、植物种类、不同生长阶段 外因（环境因素）： 影响能量供应： 影响原料供应： 影响叶绿体的形成： 影响酶活性： 光（光照强度、光质、时间长短）； 水分、CO2浓度； 温度； 无机营养（N、Fe、Mg2+等）、病虫害； 20 1、探究光照强度对光合作用强度的影响 自变量： 光照强度 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不同距离 注射器的作用： 实验材料： 圆形小叶片 排出圆形小叶片中的气体 无关变量： 常用单位时间内通过光合作用制造的有机物量或O2的产生量或CO2的消耗量来表示。 圆形小叶片的数量、水温、环境光、CO2的量等。 制备方法 用打孔器打出 21 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 （2）将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出 1、探究光照强度对光合作用强度的影响 22 （3）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 （4）取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液） 2、方法步骤： 1、探究光照强度对光合作用强度的影响 23 （5）分组实验：分别将10片叶圆片投入3只盛20mLNaHCO3的小烧杯中并调整40W台灯距离（10、20、30cm） 可以吸收热量,排除光照引起水温变化的干扰 2、方法步骤： 1、探究光照强度对光合作用强度的影响 24 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 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。 1、探究光照强度对光合作用强度的影响 25 讨论：利用该装置还能探究哪些环境因素对光合作用的影响？ 这些因素分别如何控制呢？ 提示：CO2浓度（不同吹气时间或不同质量分数的NaHCO3溶液）、 温度（水浴保温）、 光质（不同颜色的彩色灯泡） 26 1、探究环境因素对光合作用的影响实验视频 27 讨论： 1、图中A、B、C、D各点代表的意义分别是什么？ 2、B、D点时的实际光合速率分别为多少？ A：只进行呼吸作用 （1）光照强度 B：光合作用强度与呼吸作用强度相等时的光照强度 2、影响光合作用的因素及应用 C：光合作用强度达到最大 n m+n D：光合作用强度达到最大时的临界光照强度 光补偿点 光饱和点 D 光照强度 0 CO2吸收速率 CO2 释放 速率 A B C m n 28 真（总）光合速率= 净（表观）光合速率 + 呼吸作用速率 常用术语表示： 有机物的制造量 CO2固定量或CO2消耗量 O2的产生量 常用术语表示： 有机物的积累量 CO2的吸收量 O2的释放量 常用术语表示： 有机物的消耗量 黑暗下CO2的释放量 黑暗下O2的吸收量 D 光照强度 0 CO2吸收速率 CO2 释放 速率 A B C m n 植物在进行光合作用的同时，还进行呼吸作用。实际测量到的CO2吸收速率是净光合作用速率，也称为表观光合速率。实际上真正的光合速率称为真光合速率或总光合速率。 2、影响光合作用的因素及应用 29 甲组 乙组 讨论3、如果用这套测有氧呼吸速率的装置来测量真光合速率，应该怎么改造？ 1、将萌发的种子都替换为绿色植物 2、将乙瓶中的蒸馏水替换为NaHCO3溶液 3、将甲瓶置于黑暗条件下，乙瓶置于光照下，那么甲瓶中液滴移动距离可以测出呼吸速率，乙瓶中液滴移动距离可以测出净光合速率，这样将两者数值相加即可得出真光合速率。 光补偿点 光饱和点 D 光照强度 0 CO2吸收速率 CO2 释放 速率 A B C m n 讨论： 4、植物要正常生长，必须满足怎样的光照强度？如果长期阴雨天气，需要怎么做才能保证大棚作物的产量? 5、C点之前和之后限制光合作用因素分别是？ C点前：光照强度 C点后：CO2浓度、温度、酶和色素的数量等 光照强度要高于光补偿点 人工补光，使光照强度达到光饱和点 31 光照强度 0 A B C 阳生植物 阴生植物 应用： 阳生植物和阴生植物进行间作套种。 讨论：若该曲线表示的是阳生植物的光合速率，阴生植物的曲线该如何画？据此生产上有哪些应用？ CO2吸收速率 CO2 释放 速率 32 讨论： 1、图示中A、B、A’、B’代表的意义分别是什么？ （2）CO2浓度 1.多施有机肥或农家肥； 2.温室栽培可使用CO2发生器等； 3.大田中还要注意正行通风。 2、农业生产上有什么应用？ 2、影响光合作用的因素及应用 A表示该植物光合作用速率=细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点。 A’表示该植物进行光合作用所需CO2的最低浓度 B、 B’都表示该植物光合速率不再增加时CO2浓度，即CO2饱和点。 33 （3）温度 2、影响光合作用的因素及应用 ①影响原理：温度通过影响酶的活性来影响光合作用强度。 ②曲线分析：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。 应用：大棚种植上白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用速率；晚上适当降低温室的温度，以降低细胞呼吸，保证植物有机物的积累。 34 (4)水肥条件 应用：适时、适量地灌溉施肥，可提高农作物产量。 水和无机营养 影响原理：N、P、K、Mg等矿质元素会影响光合作用中有关酶和色素等物质的合成，因而会影响光合作用。 水是光合作用的原料，缺水既可直接影响光合作用，又会导致叶片气孔关闭，限制CO2进入叶片，从而间接影响光合作用。 2、影响光合作用的因素及应用 水分会影响气孔导度，缺水会使气孔导度减小，影响二氧化碳吸收 35 光合作用小结 光合作用与能量转化 光合作用 光合作用原理应用 概念 反应式 探究历程 影响因素：光照、温度、二氧化碳、水分、矿质元素 光合作用原理 过程 光反应：类囊体薄膜 暗反应：叶绿体基质 CO2 + H2O （CH2O)+O2 光能 叶绿体 36 1.下图是夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答： （1）7～10时的光合作用强度不断增强原因： （2）12时左右的光合作用强度明显减弱原因： （3）14～17时的光合作用强度不断减弱原因： 光照不断减弱，光合作用强度不断减弱。 光照不断增强，光合作用强度不断增强。 温度很高，蒸腾作用很强，气孔关闭， 二氧化碳供应减少，光合作用强度明显减弱。 A B D C E 时间 光 合 作 用 速 率 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 37 2.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 3. 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 38 4. 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 39 5、图甲表示在一定条件下测得的该植物光照强度与光合速率的关系；图乙表示某绿色植物的细胞代谢情况；图丙是某兴趣小组将植物栽培在密闭玻璃温室中，用红外线测量仪测得的室内二氧化碳浓度与时间关系的曲线。请分析回答： （1）图甲中的a点表示细胞呼吸强度，c点时，叶肉细胞中产生ATP的场所有 。 （2）图乙所示的该植物细胞代谢情况可用图甲中a～d四点中 表示，也可以用图丙e～j六个点中的 表示。 （3）当光照强度在图甲的d点时，该植物叶绿体的二氧化碳的固定量 mg/100cm2/h。 （4）由图丙可推知，密闭玻璃温室中氧气浓度最大的是 点。24点与0点相比，植物体内有机物总量的变化情况是 。（填“增多”“不变”或“减少”） 叶绿体、线粒体、细胞质基质 c f、h 18 减少 h Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $$