5.4 光合作用与能量转化-2024-2025学年高一生物优质课件（人教版2019必修1）

第4节 光合作用与能量转化 1 你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下， 生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。 讨论 1、靠人工光源生产蔬菜有什么好处？ 用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。 用植物工厂 你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下， 生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。 讨论 2、为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？ 影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。 二氧化碳浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。 植物工厂 在植物工厂里，人工光源可以为植物生长源源不断地提供能量。 在自然界，则是万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。 光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。因此，有人称光合作用是“地球上最重要的化学反应”。 无论是在植物工厂里，还是在自然界，植物捕获光能要依靠特定的物质和结构。 对高等植物来说，叶片是进行光合作用的主要器官。这些植物的叶片多数是绿色的，说明其中有绿色的色素。 在玉米地里，有时可以看到叶片中不含绿色色素的白化苗。这样的白化苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去。 可见，叶片中的色素可以与光能的捕获有关。 一、捕获光能的色素和结构 1、探究：绿叶中色素的提取和分离 （1）原理 （2）试剂 （3）步骤 （4）结果 （1）原理 色素的提取的原理 绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以可用无水乙醇提取色素。 色素的分离的原理 绿叶中的色素都能溶解在层析液中，不同色素溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。 （2）试剂 提取液：无水乙醇 层析液：由20份石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成 二氧化硅：有助于将叶片研磨的充分 碳酸钙：防止研磨中色素被破坏 （3）步骤 ①提取绿叶中的色素 剪碎 加二氧化硅 碳酸钙 无水乙醇 研磨 过滤：用单层尼龙布 注意：要用面塞将试管口塞严 （3）步骤 ②色素的分离 制备滤纸条 画滤液细线 ★要求：细、直、齐 ；重复 ★不能让滤液细线触及层析液 铅笔线 层析液 培养皿 纸层析 注意：要盖住烧杯口，层析液易挥发 （4）结果 （橙黄色） （黄 色） （蓝绿色） （黄绿色) 胡萝卜素 叶黄素 叶绿素a 叶绿素b 色素带的宽窄代表了色素的含量。 绿叶中色素的提取和分离 2、色素种类及其吸收光谱 叶绿素 类胡萝卜素 主要吸收红光和蓝紫光 主要吸收蓝紫光 色素 叶黄素 胡萝卜素 叶绿素a 叶绿素b （蓝绿色） （黄绿色） （橙黄色） （黄色） 含量约占3/4 含量约占1/4 色素的作用是吸收、传递、转化光能。 2、色素种类及其吸收光谱 一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光。叶绿素对绿光吸收很少。 旁栏思考 植物工厂里为什么不用发绿光的光源？ 绿色光源发出绿色的光，这种波长的光线不能被光合色素吸收，因此无法运用到光合作用中制造有机物。 2、叶绿体的结构适于进行光合作用 （1）叶绿体的结构 （2）思考讨论 （3）叶绿体的功能 （1）叶绿体的结构 光学显微镜下可以看到叶绿体一般呈扁平的椭球形或球形。 亚显微结构只能依靠电子显微镜来观察。 类囊体 叶绿体内有如此多的基粒和类囊体，极大地扩大了受光面积。 叶绿体的功能 资料1 1881年，德国科学家恩格尔曼做了这样的实验：把载有水绵（叶绿体呈螺旋带状分布）和需氧的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。 紧接着，他又做了一个实验：用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。 资料2 在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。 叶绿体的功能 讨论： 1、恩格尔曼第一个实验的结论是什么？ 恩格尔曼第一个实验的结论是：氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。 2、恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？ 实验材料选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察，好氧细菌可确定释放氧气多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果，等等。 叶绿体的功能 讨论： 3、在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？ 这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。 4、综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？ 叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。 （3）叶绿体的功能 恩格尔曼的实验直接证明了，叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。结合其他的实验证据，，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。 在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。 二、光合作用的原理和应用 （一）光合作用的原理 1、光合作用的概念和反应式 2、光合作用的原理 1、光合作用的概念和反应式 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。 其过程可用下面的方程式来概括： CO2 + H2O (CH2O) + O2 叶绿体 光能 (CH2O)表示糖类。 2、光合作用的原理 （1）思考讨论 （2）光合作用的阶段 （3）光反应阶段 （4）暗反应阶段 （5）光合作用的过程 （6）思考讨论 （7）光反应与暗反应的联系 （8）光合作用过程中元素的去向 （9）化能合成作用 探索光合作用原理的部分实验 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。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成糖。 1937年，英国植物学家希尔发现，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O2。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。 1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法研究了光合作用中O2的来源，他们用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2，然后进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2 ，第二组给植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第一组释放的氧气都是18O2。 1954年，美国阿尔农发现，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。 讨论： 1、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？ 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。 2、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？ 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。 探索光合作用原理的部分实验 讨论： 3、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水，而并不来源于CO2。 4、尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。 探索光合作用原理的部分实验 H2 O O2 ＋ NADPH ＋ 能量 光能 叶绿体 ADP ＋ Pi ＋ ATP （2）光合作用的阶段 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。 根据是否需要光能，这些化学反应可以概括性地分为光反应和暗反应（现在也称为碳反应）两阶段。 （3）光反应阶段 光合作用的第一阶段，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。 光反应发生的场所是类囊体薄膜，需要色素和多种酶的参与。 物质变化 水的光解 2H2O 4H+ + O2 + 4e- 光、酶 色素 NADP+ + H+ + 2e- 酶 NADPH ATP的合成 ADP ＋ Pi ＋ 能量（光能） ATP 酶 能量变化 光能 → ATP和NADPH中活跃的化学能 （3）光反应阶段 （3）光反应阶段 ADP＋Pi ATP （4）暗反应阶段 光合作用第二阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。 暗反应发生的场所是叶绿体基质，需要多种酶的参与。 物质变化 CO2的固定 C3化合物的还原 能量变化 ATP和NADPH中活跃的化学能 → 有机物中稳定的化学能 CO2 ＋ C5 2C3 酶 2C3 ＋ NADPH （CH2O）+ C5 + NADP+ 酶 ATP→ADP+Pi+能量 酶 （4）暗反应阶段 相关信息 C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸，C5是指五碳化合物——核酮糖-1，5-二磷酸（RuBP）。 光合作用过程中物质变化 光合作用过程中能量变化 光能 → ATP和NADPH中的化学能 → 有机物中的稳定化学能 （5）光合作用的过程 CO2 + H2O (CH2O) + O2 叶绿体 光能 讨论： 1、光反应和暗反应在所需条件、进行场所、发生的物质变化和能量转化等方面有什么区别？ 光反应和暗反应的区别与联系 光反应阶段 暗反应阶段（卡尔文循环） 场所 条件 物质变化 能量变化 联系 项目 叶绿体类囊体薄膜上 叶绿体基质 光、色素、酶、水 有光无光都可，多种酶、CO2 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 光反应为暗反应提供ATP和NADPH 暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+等原料 过程 水的光解 ATP的合成 CO2的固定 C3的还原 讨论： 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+； 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。 光反应和暗反应的区别与联系 简而言之，在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体膜上的色素捕获后，将水分解为O2和H+等，形成ATP和NADPH，于是光能转化成ATP和NADPH中的化学能； ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行暗反应，讲CO2转化为储存化学能的糖类。 可见光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分。 （7）光反应与暗反应的联系 光合作用产生的有机物，不仅供植物体自身利用，还养活了包括你我在内的所有异养生物。 光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。 （8）光合作用过程中元素的去向 CO2 + H2O (CH2O) + O2 叶绿体 光能 CO2 → C3 →（CH2O） （9）化能合成作用 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，称为化能合成作用。如硝化细菌。 硝化细菌的化能合成作用 能量变化 硝化细菌利用O2将NH3氧化为HNO2，进而将HNO2氧化成HNO3，利用此过程中释放的能量生成ATP，最后这部分能量转化为有机物中的化学能。 物质变化 硝化细菌利用氧化还原过程中产生的ATP释放的能量，将CO2和H2O合成（CHO）。 三、光合作用原理的应用 1、光合作用的强度 2、探究光照强度对光合作用的影响 3、环境对光合作用的影响 4、净光合作用 5、一昼夜光合速率变化曲线 6、条件变化对物质的影响 7、光合速率测定方法 1、光合作用的强度 光合作用的强度是指植物在单位时间内通过光合作用制造的糖类的数量。 光合作用的强度，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、探究光照强度对光合作用的影响 实验原理 1 叶片含有空气上浮 叶片下沉 抽气 叶片上浮 光合作用产生O2 O2充满细胞间隙 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。 2、探究光照强度对光合作用的影响 材料用具 打孔器、5W LED台灯、米尺、烧杯、绿叶等 富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）供应CO2 2、探究光照强度对光合作用的影响 方法步骤 2、探究光照强度对光合作用的影响 实验结果 强（10cm） 中（20cm） 弱（30cm） 5分钟 8片 0片 0片 10分钟 9片 4片 0片 15分钟 10片 5片 1片 20分钟 10片 6片 2片 光照强度 浮起叶片数量 光照时间 实验结论 一定光照强度范围内，光合作用随着光照强度的增加而增强。 旁栏思考 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？ 用这种方法观察到的O2的产生量，实际是光合作用的O2释放量，与植物光合作用实际产生的O2量不同，没有考虑到植物自身呼吸作用对O2的消耗。 3、环境对光合作用的影响 光照强度 CO2 吸 收 量 0 光照强度 • • • 光饱和点 光补偿点 3、环境对光合作用的影响 CO2浓度 CO2 吸 收 量 0 CO2浓度 • • • • • CO2补偿点 CO2饱和点 3、环境对光合作用的影响 温度 光合速率 A B C 温度 3、环境对光合作用的影响 水分和矿质元素 光合速率 含水量或矿质元素 4、净光合作用 光合速率是指单位时间、单位面积吸收CO2的量或释放O2的量，也可以用单位叶面积、单位时间积累的干物质量表示。 植物在进行光合作用积累物质的同时，也在不断进行呼吸作用消耗有机物并释放CO2。当测定光合速率时，一般得到的是实际光合速率和呼吸速率之差，称为净光合速率，也叫表观光合速率。 如果测定光合CO2吸收量的同时，测定呼吸释放CO2的量，加以校正，即可得到实际的光合速率，也叫真光合速率。 真光合速率＝净光合速率 + 呼吸速率 4、净光合作用 曲线上每一个点表示该光照强度下的净光合速率大小。 A点表示只有呼吸作用 AB段表示光合作用<呼吸作用 BC段表示光合作用>呼吸作用 B点表示光合作用=呼吸作用 CO2 吸 收 量 0 光照强度 • • • A C B • 净光合速率 ＝真光合速率 - 呼吸速率 5、一昼夜光合速率变化曲线 D点和c点对应，净光合速率为0。 H和e点对应，净光合为0。 ce时间段净光合大于0，其余小于0。 DH段净光合大于0，其余小于0。 A、I高低说明有机物的积累状况。 H、e点有机物积累最多。 6、条件变化对物质的影响 当光照强度变化时，ATP、NADPH、C5、有机物和光照强度变化一致，C3和光照强度变化相反。 当CO2浓度变化时，ATP、NADPH、C5和CO2浓度变化相反，C3 、有机物和CO2浓度变化相同。 7、光合速率测定方法 气体量变化法 半叶法 黑白瓶法 帮范儿 再会 57 桃源仙居 骆集益 在水一方, track 30, disc 1 107418.18 XXX - 163 key(Don't 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